Thèse soutenue

Etude et formalisation du comportement en fissuration d'un composite à matrice métallique Al-SiC soumis à des sollicitations de fretting-fatigue : influence de la microstructure
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Auteur / Autrice : Jean Balmon
Direction : Siegfried FouvryPatrick Villechaise
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Matériaux
Date : Soutenance le 20/05/2022
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
Jury : Président / Présidente : Véronique Doquet
Examinateurs / Examinatrices : Siegfried Fouvry, Patrick Villechaise, Camille Gandiolle
Rapporteurs / Rapporteuses : Henry Proudhon, Habibou Maitournam

Résumé

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Ces travaux de recherche sont consacrés à l’évaluation du comportement en fissuration d’un composite à matrice métallique (CMM) subissant des sollicitations de fretting-fatigue. Ce matériau, constitué d’une matrice d’alliage d’aluminium renforcée par des particules de carbure de silicium, est notamment employé pour produire des pièces de structure de rotor d’hélicoptère. L’action combinée de chargements cycliques complexes en vol et de vibrations induisant un frottement localisé aux contacts entre les différentes pièces provoque un endommagement par fissuration précoce, dit de fretting-fatigue. L’enjeu de cette étude est de déterminer l’influence de la microstructure sur les propriétés en fretting-fatigue du CMM. En effet, la gamme de mise en forme que subit le matériau modifie fortement l’organisation des renforts SiC ainsi que la morphologie des grains métallurgiques de la matrice. Une meilleure connaissance de ce phénomène permettra de guider les élaborateurs de gamme de forgeage vers une microstructure optimisée vis-à-vis de la résistance en fretting-fatigue. La stratégie adoptée repose sur plusieurs campagnes d’essais expérimentaux, modélisées par la suite à l’aide de simulations numériques par éléments finis. Une large sélection de configurations microstructurales diverses a tout d’abord été caractérisée afin d’identifier l’effet du procédé de mise en forme sur l’organisation des renforts, en termes d’orientation et de distribution spatiale, mais aussi sur les propriétés de la matrice telles que la taille de grain et la texturation cristallographique. Une campagne comparative d’essais de fretting simple en configuration sphère/plan effectuée sur cette sélection d’échantillons a montré que l’orientation des particules de renfort par rapport à la sollicitation de fretting gouverne l’extension de la fissuration en fretting. Le comportement en arrêt de propagation du CMM a en particulier pu être caractérisé par une approche numérique, par l’intermédiaire du calcul du seuil d’arrêt de propagation ΔKth. Une campagne d’essais de fretting-fatigue a ensuite été mise en œuvre de manière à vérifier la potentielle validité d’une transposition des résultats de fretting simple au fretting-fatigue. Il semble alors que l’effet de l’orientation des renforts sur la durée de vie en fretting-fatigue soit marginal devant celui de la taille de grain, la cinétique de propagation en fatigue pilotant majoritairement l’endurance en fretting-fatigue. Ces résultats expérimentaux ont également été simulés numériquement. Une approche basée sur le calcul du critère de fatigue multiaxiale SWT associé à une prise en compte du gradient de contrainte induit par fretting par une méthode non-locale de distance critique a ainsi permis de prévoir la durée de vie en fretting-fatigue du CMM à partir de sa courbe d’endurance en fatigue pure.Enfin, une modification locale de la microstructure du CMM sous le contact de fretting a été mise en évidence par des observations de microscopie électronique en transmission. L’état de contrainte complexe associé à une augmentation localisée de température conduit à une diffusion de cuivre au sein de la matrice Al. L’hétérogénéité chimique, et probablement de propriétés mécaniques, ainsi créée peut mener au développement d’une fissuration secondaire.