Étude expérimentale et numérique de singularités géométriques sur la tenue en fatigue de joints soudés bout à bout en Ti-6Al-4V

Experimental and Numerical Study of Geometric Singularities on the Fatigue Life of Joints Welded Butt Joint in Ti-6Al-4V

• Auteur / Autrice : Natan Bodlet
• Direction : Yves Nadot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 25/09/2023
• 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 : Président / Présidente : Nathalie Limodin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Amargier, Florent Bridier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Franck Morel, Thierry Palin-Luc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fissuration

Défauts

Soudures

Soudures -- Fatigue

Effet d'entaille

Mots clés libres

Ti-6Al-4V

Critère multiaxial

Écart type

Ti-6Al-4V

Multi axial criterion

Standard deviation

Résumé

Cette thèse de doctorat présente l’étude expérimentale et numérique de la tenue en fatigue d’un joint soudé bout à bout par faisceau d’électrons en Ti-6Al-4V, d’épaisseur 5 mm. Les configurations étudiées sont : « as-welded » et avec passe de lissage, sollicitées à la limite de fatigue par la méthode des paliers, à 106 cycles à R=0,1. L’objectif de l’étude est de faire le lien entre le CND de production et la fatigue. Les singularités géométriques : pied de cordon, racine de cordon et porosités gazeuses à morphologie sphérique sont les sites d’amorçages. Une décorrélation de l’effet de la géométrie, des contraintes résiduelles et de la microstructure induites par le procédé est réalisée. Des essais avec désalignements et caniveaux ont permis d’exacerber les raccordements, dont les géométries réalistes et idéalisées sont confrontées au moyen des critères de fatigue. Des défauts artificiels de type électroérosion, fraise et foret sont usinés, ils sont employés pour la fabrication de clusters de défauts (interaction défaut/défaut), de défauts isolés (effet de taille de défaut) et viennent compléter l’analyse des porosités (interaction défaut/surface). L’effet du ligament est étudié et la taille de défaut équivalente proposée par Murakami fait l’objet d’une discussion. Des essais sous vide avec défauts sont menés afin d’apporter des éléments de compréhension à la criticité moindre des défauts internes. L’étude aboutit à la formulation d’un critère de fatigue multiaxial et non local intégrant une valeur locale de contraintes et une grandeur de dispersion (écart-type) caractérisant l’hétérogénéité des contraintes présentes dans le volume d’intégration, une stratégie d’identification est proposée. Le critère (écriture et identification) est éprouvé par les singularités précédentes ainsi que par des éprouvettes cylindriques entaillées. Il montre sa pertinence par rapport aux approches par gradient et moyenne sur le volume. Il permet in fine, une réflexion plus fondamentale sur l’origine de l’hétérogénéité des contraintes faisant intervenir la notion de volume structurel.

This doctoral thesis presents the experimental and numerical study of the fatigue strength of a butt joint by electron beam welding in Ti-6Al-4V, thickness 5 mm. The configurations studied are: as-welded and with smoothing pass, stressed at the fatigue limit by the step method, at 106 cycles and R = 0.1. The objective of the study is to make the link between non destructive test production and fatigue. Geometric singularities: toe, root and gaseous porosities with spherical morphology are the initiation sites. A decorrelation of the effect of geometry, residual stresses and microstructure induced by the process is achieved. Tests with misalignments and undercuts have exacerbated the connections, whose realistic and idealized geometries are confronted by fatigue criteria. Artificial defects such as electrical discharge machining, mill and drill are machined, they are used for the manufacture of defect clusters (defect/defect interaction), isolated defects (defect size effect) and complete the analysis of porosities (defect/surface interaction). The effect of the ligament is studied and the equivalent defect size proposed by Murakami is discussed. Vacuum tests with defects are conducted in order to provide elements of understanding to the low criticality of internal defects. The study leads to the formulation of a multiaxial and non-local fatigue criterion integrating a local stress value and a dispersion value (standard deviation) of the stresses present in the integration volume, an identification strategy is proposed. The criterion (writing and identification) is tested by the previous singularities as well as notched cylindrical specimens. It shows its relevance to gradient, nonlinear gradient and volume mean approaches. It also allows a more fundamental reflection on the origin of the stress gradient involving the notion of structural volume.