Effet de l’humidité, de la température et de la fréquence sur la tenue en fatigue de l’alliage d’aluminium 7175 T7351

Effetc of Temperature, Humidity and Frequency on the Fatigue Behavior of a 7175 T73151 Aluminum Alloy

• Auteur / Autrice : Sarah Saanouni
• Direction : Gilbert Hénaff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Airbus Industrie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Blanc, Jean-Christophe Ehrström, James T. Burns, Thomas Billaudeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Buffière, Xavier Feaugas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie aéronautique

Humidité de l'air

Métaux -- Fatigue

Durée de vie (ingénierie)

Fissuration

Effets de la température

Effets de l'environnement

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Alliage d'aluminium 7175 T7351

Pointe de fissure

Aluminium alloy 7175 T7351

Crack tip

Résumé

Dans une quête de recherche d’amélioration du niveau de confiance dans la prédiction des durées de vie de pièces d’aéronefs sujettes à la fatigue, la compréhension des mécanismes induits par les interactions environnement-fatigue est fondamentale. Ce projet de thèse cible l’étude des effets des environnements représentatifs des conditions de vols en altitude et au sol sur la tenue en fatigue d’un alliage d’aluminium particulièrement utilisé pour les pièces de renforts du fuselage. La compréhension de l’effet de la température, de l’humidité et des basses fréquences sur la durée de vie en fatigue mais surtout sur la propagation de fissures d’un alliage 7175 T7351 est donc indispensable pour améliorer la prédictibilité de pièces soumises à des sollicitations de fatigue sous divers environnements et temps d’exposition. La première partie de ces travaux consiste, à partir de résultats macroscopiques d’endurance et de propagation de fissure, d’établir un ordre de prédominance de chacun des paramètres sur la durée de vie totale ainsi que sur la résistance à la propagation. Il s’avère que ce matériau à l’état sur-revenu ne présente pas de sensibilité significative de la durée de vie totale du matériau aux divers environnements explorés. En outre la diminution de la fréquence entraine une augmentation des cinétiques de propagation, alors que la diminution importante de l’humidité entraine une augmentation de la résistance à la propagation. Quel que soit l’environnement considéré, d’inerte à air très humide, le mode de propagation correspond systémiquement au stade II avec un mode de rupture de type quasi clivage. Les analyses de faciès de rupture révèlent néanmoins un effet de l’environnement sur le marquage des stries, clairement visibles sous air humide alors qu’elles présentent un aspect « froissé » et sont difficilement détectables sous environnement inerte. Par ailleurs, une augmentation de l’humidité dans l’air et l’abaissement de la fréquence jusqu’à 10-4Hz conduisent à des cinétiques de fissuration globalement similaires. Néanmoins, cette même diminution de fréquence sous air sec serait probablement responsable d’une diminution importante de la résistance à la propagation par rapport à ce qui est observé sous air humide. Des analyses complémentaires ont été menées notamment pour évaluer l’effet de l’exposition à l’environnement sur l’activité plastique en pointe de fissure et estimer la quantité d’hydrogène piégé. La confrontation de ces résultats met en relation une augmentation d’hydrogène piégé avec importante rotation du réseau et particulièrement localisée en pointe de fissure dans un cas de taux d’exposition élevé à l’air humide. Cette analyse plaide en faveur d’une action de l’hydrogène lors du couplage environnement fatigue du matériau sous air humide de type HELP (Hydrogen Enhanced Localized Plasticity) et/ou AIDE (Adsorption Induced Dislocations Emissions).

In order to improve the degree of confidence in the fatigue-life prediction methods of aircraft parts, the understanding of the main physical mechanisms induced by environment-fatigue interactions is crucial. This PhD project targets the study of the environmental effects representative of flight conditions at altitude and on the ground on the fatigue strength of an aluminum alloy particularly used for fuselage reinforcement parts. The comprehension of the respective role of temperature, humidity and low frequencies on fatigue life and especially on the propagation of cracks in a 7175 T7351 alloy is therefore essential to improve the predictability of parts subjected to fatigue loading under various exposure conditions. The first part of this work consists, based on macroscopic results from high cycle fatigue and fatigue crack propagation tests, to establish the order of predominance of each individual studied parameter on the total fatigue life as well as on the resistance to fatigue cracks propagation. As it turns out, the over-tempered material does not show a significant sensitivity of the material's total life to the various environments explored. It has been observed that the decrease in frequency leads to an increase in the kinetics of cracks propagation, while the significant decrease in humidity leads to an increase in the resistance to cracks propagation. Whatever the considered environment, from inert to very humid air, the propagation mode corresponds to stage II with cleavage-like fracture. The fracture surfaces analysis reveals an effect of the environment on the marking of the striations, clearly visible in humid air, whereas they are difficult to detect under inert environment. In addition, a higher exposure rate to the environment achieved with a frequency of 10-4Hz has shown that in humid or very humid ambient air, the fatigue crack growth rates are generally similar. Nevertheless, the decrease in frequency in dry air would probably be responsible for a significant decrease in the resistance to fatigue crack propagation. Additional analyses were carried out in order to assess the effect of environmental exposure on crack tip plastic activity or the amount of trapped hydrogen. The comparison of these results made it possible to relate an increase in trapped hydrogen with a significant lattice rotation, particularly localized at the crack-tip, in a case of long exposure times to humid air. Results seems to plead for an action of hydrogen during the environmental fatigue coupling of the material in humid air of the HELP (Hydrogen Enhanced Localized Plasticity) and / or AIDE (Adsorption Induced Dislocations Emissions) types.