Étude tridimensionnelle de la propagation en fatigue de fissures internes dans les matériaux métalliques

Three-dimensional study of internal fatigue crack propagation in metallic materials

• Auteur / Autrice : Arnaud Junet
• Direction : Jean-Yves Buffière, Xavier Boulnat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 11/01/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Véronique Favier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Buffière, Xavier Boulnat, Véronique Favier, Gilbert Hénaff, Franck Morel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gilbert Hénaff, Franck Morel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Tomographie par émission

Matériaux -- Fissuration

Mots clés libres

Matériaux

Fissure de fatigue

Défauts

Fissure courte

Propagation

Tomographie par rayon X

Visualisation 3D

Fatigue des matériaux

Propagation de la fissure

Matériau métallique

Materials

Fatigue crack

Defect

Small crack

Propagation

X-Ray tomography

3D visualization

Fatigue of materials

Crack growth

Metallic material

Résumé

La fatigue est le principal phénomène causant la rupture de structures mécaniques. Pour les très grandes durées de vie, l’amorçage des fissures menant à la rupture des pièces en service passe de la surface au volume. Du fait des difficultés expérimentales, la propagation des fissures internes n’a que très peu été étudiée in situ et en 3D. Il est cependant crucial du point de vue du dimensionnement de connaître le comportement de telles fissures. Dans ces travaux, le suivi in situ de l’amorçage et de la propagation de fissures internes a été réalisé par tomographie aux rayons X (source synchrotron). Premièrement, une méthode de fabrication d’éprouvettes a été élaborée pour permettre de visualiser de manière systématique, non destructive et en 3D la propagation à 20 Hz de fissures internes dans un alliage de titane (Ti-6Al-4V). Un défaut artificiel a pour cela été usiné à la surface d’une tôle laminée de ce matériau. Une seconde tôle, placée sur la première, a été soudée par diffusion au frittage flash, permettant ainsi de rendre le défaut volumique. Des essais de fatigue in situ ont permis de montrer le rôle crucial de l’environnement (vide) ainsi que, dans une moindre mesure, celui de la texture cristallographique sur les vitesses de propagation des fissures internes. Deuxièmement, une machine de fatigue ultrasonique (fréquence de cyclage de 20 kHz) permettant de réaliser des essais in situ au synchrotron a été utilisée pour étudier la propagation 3D de fissures internes dans des éprouvettes d’alliage d’aluminium A357-T6 contenant un défaut interne artificiel. L’obtention préalable de la distribution 3D des grains par tomographie en contraste de diffraction (DCT) a permis d’étudier les mécanismes d’interaction entre la microstructure et le chemin de fissuration en 3D.

Fatigue is the main phenomenon causing the failure of mechanical structures. For very long service lives the initiation of cracks leading to the failure of in service mechanical parts changes from surface to volume. Due to experimental difficulties the propagation of internal cracks has only been studied to a limited extent in situ and in 3D. However, it is crucial from a dimensional point of view to know the behaviour of such cracks. In this work, in situ monitoring of the initiation and propagation of internal cracks was carried out by X-ray tomography (synchrotron source). Firstly, a method for manufacturing specimens was developed to enable systematic, non-destructive, and 3D visualization of the propagation of internal cracks in a titanium alloy (Ti-6Al-4V) at 20 Hz. For this purpose, an artificial defect was drilled on the surface of a rolled sheet of this material. A second sheet, placed on top of the first one, was diffusion bonded by spark plasma sintering, making it possible to make the defect volumetric. In situ fatigue tests showed the crucial role of the environment (vacuum) and, to a lesser extent, that of the crystallographic texture on the internal crack propagation rates. Secondly, an ultrasonic fatigue machine (cycling frequency of 20 kHz) allowing in situ testing at the synchrotron was used to study the 3D propagation of internal cracks in A357-T6 aluminium alloy specimens containing an artificial internal defect. The 3D grain distribution obtained by Diffraction Contrast Tomography (DCT) was used to study the interaction mechanisms between the microstructure and the 3D crack path.