Étude de la progression des fissures de fatigue à partir d’anomalie de surface dans une entaille

Study of Fatigue Crack Propagation from Surface Anomalies in Notches

• Auteur / Autrice : Aurélien Lambourg
• Direction : Gilbert Hénaff, Yves Nadot, Lionel Marcin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe Safran
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Dominique Poquillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Gourdin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Réthoré, Fabien Szmytka

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tolérance aux fautes (ingénierie)

Surfaces -- Défauts

Potentiel de surface

Métaux -- Rupture

Métaux -- Effets des hautes températures

Matériaux -- Fissuration

Inconel

Éléments finis, Méthode des

Effet d'entaille

Durée de vie (ingénierie)

Contraintes (mécanique)

Choc (mécanique)

Avions -- Moteurs

Alliages réfractaires

Alliages -- Fatigue

Mots clés libres

Superalliage à base Nickel Inconel 718 Direct Aged

Nickel based superalloy Inconel 718 Direct Aged

Résumé

Les motoristes aéronautiques doivent constamment répondre à de nouvelles exigences de certification en tolérance aux dommages. Ainsi ils doivent désormais démontrer que la présence d’anomalies de surface introduites lors d’opérations de maintenance ne mène pas à la rupture des pièces les plus critiques. Cette étude concerne donc la caractérisation de la nocivité en fatigue d’anomalies de surface de type choc, en présence d’un gradient de contrainte avec de la plasticité localisée du superalliage à base Nickel Inconel 718 Direct Aged. Une étude expérimentale et numérique approfondie de la méthode de suivi de la différence de potentiel a conduit à une bonne maîtrise de cet outil de détection de l’amorçage et de suivi de la fissuration en gradient de contrainte avec plasticité. En particulier, la méthode a été améliorée grâce à la prise en compte de la variation de conductivité due à la plasticité et à une nouvelle stratégie de suivi. Cette dernière utilise deux marquages thermiques afin d’augmenter la précision et de réduire la dispersion des mesures. Différents types d’anomalie ont par ailleurs été considérés afin d’évaluer l’influence respective de la géométrie et des contraintes résiduelles des anomalies en lien avec la présence d’un gradient de contrainte macroscopique sur la propagation de fissures. Il a ainsi été montré que l’amorçage de fissure est lent pour les anomalies engendrées par polissage et usinage FIB en comparaison des anomalies produites par électro-érosion et des chocs, de par leurs géométries et leurs contraintes résiduelles générées par plasticité lors de leur création. En outre, bien que leur amorçage soit rapide, les fissures émanant des anomalies de type choc présentent des vitesses de propagation ralenties par ces contraintes résiduelles dans les premiers stades de fissuration Parallèlement, une évolution particulière de la forme du front de ces fissures, notamment en forme de champignon, a été mise en évidence à l’aide de marquages thermiques. Différentes méthodes ont été mises en œuvre pour quantifier les durées de vie en fatigue ainsi que caractériser la morphologie des fronts de fissure. Il est ainsi montré que le facteur de forme de la fissure dépend, entre autre, de la contrainte maximale et du rapport de charge et que la propagation peut être ralentie en surface proche du bord de l’anomalie, par effet de concentration de contrainte. Enfin, la mise en œuvre de différentes stratégies de simulation offre une explication sur l’origine de la forme de champignon.

Aircraft engine manufacturers have to meet with new certification requirements in damage tolerance. Thus they have to demonstrate that the presence of surface anomalies introduced during maintenance operations in critical areas does not lead to failure during service life. This study was undertaken in this framework to characterize the harmfulness of dent-type surface anomalies in a stress gradient with local plasticity, on the fatigue life of the Direct Aged Inconel 718Nickel based superalloy. A detailed experimental and numerical study have been conducted for a better control of the direct current potential drop (DCPD) technique used to monitor the crack initiation and the crack depth measurement in a stress gradient with plasticity. The method was improved in particular by taking into account the conductivity variation induced by plasticity and a new approach of the DCPD post-treatment, using two heats tints during propagation, was proposed. This method has a higher accuracy and reproducibility than without the use of heat tint on the crack measurement. Meanwhile different types of anomalies have been used to assess the respective influence of geometry and residual stress in relation with the presence of a macroscopic stress gradient on crack growth. It was thus shown that crack initiation is slow in the case of polished and FIB anomalies in comparison to EDM and indent anomalies, because of their geometry and residual stresses. Despite a fast crack initiation, the dent-type anomaly presents a reduced crack growth rate during the initial propagation stage because of the residual stresses. Furthermore, a singular crack shape was evidenced in that case by means of heat tinting, with a shape of mushroom. Different methods have been implemented to quantify service life and predict crack front shape. This study has shown that the shape factor is dependent, among others, of the applied maximal stress and of the stress ratio, and that crack growth rate can be slowed down near the anomaly edge by a stress concentrator effect. Finally, different simulation strategies provide some explanation about the origin of the mushroom shape of the crack front.