Étude de l'effet d'environnement sur la propagation des fissures de fatigue internes dans l'alliage de Ti-6Al-4V

Study on the effect of the environment on internal fatigue crack propagation in Ti-6Al-4V

• Auteur / Autrice : Louis Hébrard
• Direction : Jean-Yves Buffière, Thierry Palin-Luc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et sciences / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Véronique Aubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Buffière, Thierry Palin-Luc, Véronique Aubin, Nathalie Limodin, Jonathan Cormier, Charles Mareau, Cédric Doudard, Nicolas Ranc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Limodin, Jonathan Cormier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Essais par ultrasons

Titane -- Alliages

Matériaux -- Fissuration

Mots clés libres

Matériaux

Fissure de fatigue interne

Propagation de la fissure

Durée de vie et fatigue

Micro-Tomographie

Suivi de l’endommagement

Ti6Al4V

Mesure de champs thermique

Méthode expérimentale

Contrôle in situ

Influence de l'environnement

Materials

Internal fatigue crack

Crack propagation

Life Time

Micro Tomography

Damage monitoring

Ti6Al4V

Thermal field measurement

Experimental method

In situ control

Environmental impact

Résumé

Dans le domaine de fatigue des très grandes durées de vie (plus grandes que 1e7 cycles), les fissures de fatigue ont tendance à amorcer en interne. Il est donc impossible de les détecter visuellement pendant une opération de maintenance. Par conséquence, une connaissance robuste du comportement de ces fissures de fatigue interne est nécessaire afin d'anticiper un amorçage pouvant amener à la rupture d'une pièce critique. Pour collecter ce type de données, des méthodes expérimentales in-situ de suivi de fissure sont développées. En particulier, la micro-tomographie par rayons X permet l'acquisition d'images directes de fissures de fatigue internes. Dans cette étude, un protocole alliant micro-tomographie in-situ et fatigue ultrasonique a été appliqué à des éprouvettes contenant des entailles internes fines afin d'étudier la propagation de fissures de fatigue internes. La forme en 3D de ces fissures a été acquise à différents instants de leur propagation durant leur très longue durée de vie. Certaines entailles internes sont reliées à la surface de l'éprouvette pour amener des molécules d'atmosphère ambiante jusqu'à la fissure interne. Cette approche a été mise en place afin d'étudier l'influence de l'environnement sur la fissuration en fatigue interne. Ainsi, cette approche in-situ a permis les premières observations directes de fissures de fatigue internes propageant avec et sans air dans un alliage de Ti-6Al-4V. Des mesures de champs de température ont aussi été effectuées afin d'évaluer l'effet d'environnement sur la plasticité en pointe de fissure. Enfin, ces données en fatigues obtenues à fréquence ultrasonique ont permis d'évaluer l'influence de la fréquence de sollicitation sur les vitesses de propagation de fissures.

In the Very High Cycle Fatigue regime (fatigue lives longer than 1e7 cycles), fatigue cracks tend to initiate internally. This makes visual detection impossible during maintenance operations. Consequently, engineers need robust fatigue datasets to prevent such internal crack initiations that may lead to the fracture of a critical part. To obtain such data, in-situ experimental techniques are developed. In particular, micro-computed tomography allows to acquire direct images of internal fatigue cracks. In this study, a combination of in-situ micro-tomography and ultrasonic fatigue cycling has been applied to specimens that contain an internal sharp notch to study the propagation of internal fatigue cracks. More precisely, the crack shape of internal fatigue cracks has been monitored in 3D at different instants of their propagation up to the Very High Cycle Fatigue regime. Some internal notches have been linked to the specimen surface given access to the ambient atmosphere. This was done to study the influence of the environment on internal fatigue cracks. This experimental procedure allowed to acquire for the first time, in-situ observations of internal fatigue cracks propagating with and without air in a Ti64 alloy. Temperature measurements were also carried out to evaluate the effect of the environment on the plasticity at the crack tip. Finally, the fatigue data obtained at ultrasonic frequencies allowed to evaluate the influence of the cycling frequency on the crack growth rates.