Thèse
Auteur :
Barlas Bruno

Date de soutenance :
05 février 2004

Directeur(s) de thèse :
Cailletaud Georges
Clavel Michel



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Etude du comportement et de l'endommagement en fatigue d'alliages d'aluminium de fonderie


Résumé : La présente étude a pour but de déterminer l'influence de la composition chimique, des procédés industriels, et du traitement thermique d'alliages Al-Si sur leur comportement et leur durée de vie en fatigue. Il s'agit de diminuer le temps de développement d'une pièce et donc son coût, en augmentant la part des simulations numériques dans le processus de conception. On cherche donc à fournir un modèle unifié pour la classe des alliages d'aluminium de fonderie, à application pour les culasses automobiles.

1 Essais mécaniques

Des essais mécaniques ont permis de définir les lois de comportement et d'amor¸cage de quelques alliages représentatifs des différentes familles d'alliages, avec divers pourcentages de Si, Cu, Mg et divers traitements thermiques. Ces essais sont de type fatigue isotherme, fatigue thermomécanique, microscopie électronique en transmission, en balayage et dureté... Le point névralgique de cette étude est le caractère vieillissant de ces alliages, dû aux phénomènes de croissance/coalescence des précipités durcissants qui provoquent un adoucissement rapide en température.

2 Approche microstructurale

Le comportement dépend de la nature et de la taille des précipités durcissants que contient la matrice. Une étude au MET et une simulation sur le logiciel Thermo-calc nous ont permis de déterminer les domaines de stabilité des diverses phases durcissantes en fonction de la composition et de la température de revenu et/ou de service. La gamme de température étudiée va de 20 à 300°C. La concentration en éléments d'alliage va de 5 à 10% pour Si et de 0 à 3% pour Cu. Elle vaut 0.3% pour Mg. Le taux de résiduels (Fe, Mn, Ti...) dépend du grade de l'alliage. Les traitements thermiques sont T5, T6 et T7.

3 Comportement et amorçage

Les lois de comportement contrainte-déformation sont implantées dans le code de calcul par éléments finis ZéBuLon. Le modèle de comportement élastoviscoplastique est issu du modèle de Lemaitre et Chaboche. Un paramètre de vieillissement identifié à l'échelle microscopique et dont l'effet est sensible au point de vue macroscopique est ajouté à ce modèle. La variable interne a, qui modélise le vieillissement, porte principalement sur la limite d'élasticité et l'écrouissage cinématique, elle permet de rendre compte de la chute des propriétés mécaniques de l'alliage. Ceci complique les capacités de prévision de modèles du type Manson-Coffin ou Wöhler. Pour cette raison, on adapte à nos matériaux un modèle d'intéraction fatigue-fluage proposé par l'ONERA. Pour la prévision de la durée de vie, on utilise les données expérimentales en conditions stabilisées pour identifier les lois d'amorçage par le biais d'un post-traitement. Le modèle d'amorçage introduit une interaction fatigue-fluage non-linéaire. On retrouve ainsi naturellement à basse température un mode de rupture dominé par la fatigue et à haute température un effet prédominant du fluage.

4 Résultats

Ce modèle a été appliqué au calcul d'une structure réelle (culasse diesel), dont le maillage a été fourni par Renault.

La cartographie thermique, les champs de contraintes et de déformations, ainsi que les champs de vieillissement permettent de comprendre les mécanismes d'endommagement du pontet intersoupapes en fatigue thermo-mécanique en fonction de la composition chimique et du traitement thermique de l'alliage.Introduction

II Etude bibliographique - 1

I.1 Généralités - 1

I.1.1 Propriétés de l'aluminium pur - 1

I.1.2 Structure des alliages de fonderie - 2

I.1.3 Les alliages d'aluminium de fonderie - 4

I.1.4 Influence des impuretés - 5

I.1.5 Applications des alliages de fonderie - 7

I.2 Les traitements thermiques - 8

I.2.1 Généralités - 8

I.2.2 Nomenclature - 9

I.2.3 Couplage avec d'autres techniques - 10

I.3 La porosité - 11

I.3.1 Généralités - 11

I.3.2 Différence entre retrait de solidification et pore dû à l'hydrogène - 12

I.4 Durcissement par précipitation - 13

I.4.1 Principe - 13

I.4.2 Germination - 15

I.4.3 Diffusion - 16

I.4.4 Intermétalliques - 18

I.5 Les diverses phases durcissantes - 19

I.6 Les alliages au cuivre, exemple de l'AS7U3G T5 - 21

I.6.1 Microstructure du matériau - 21

I.6.2 Traitement thermique - 21

I.6.3 Propriétés physiques et mécaniques - 21

I.7 Les alliages au magnésium, exemple de l'AS7G T7 - 25

I.7.1 Microstructure du matériau - 25

I.7.2 Traitement thermique - 25

I.7.3 Etat de précipitation - 26

I.7.4 Propriétés physiques et mécaniques - 27

I.7.5 Effet de l'ajout de 1w%Cu dans l'A356 - 28

I.8 Effet de la porosité sur la durée de vie en fatigue, amorçage et propagation de fissures - 29

I.8.1 Mécanisme de rupture - 30

I.8.2 Aspect expérimental - 30

I.8.3 Résultat des observations - 31

I.8.4 Essais de fatigue - 32

I.8.5 Amorçage de fissure - 32

I.8.6 Propagation de fissure - 33

I.8.7 Relation entre caractéristiques du pore et mécanisme de fatigue - 34

I.8.8 Modélisation - 37

I.8.9 Effet de petite fissure - 37

I.9 Effet d'autres types de défauts sur la durée de vie en fatigue - 39

I.9.1 Examens microfractographiques - 40

I.9.2 Données ? ? Nf et examens microfractographiques - 40

I.9.3 Effet des différents défauts - 42

I.9.4 Taille critique des défauts - 42

I.10 Effet des paramètres microstructuraux sur la durée de vie en fatigue - 45

I.10.1 Aspect expérimental - 45

I.10.2 Résultats des observations - 45

I.10.3 Effet du DAS sur les essais de fatigue - 46

I.10.4 Effet de l'oxydation - 47

I.10.5 Effet de la teneur en Mg - 48

I.10.6 Effet de la modification eutectique - 49

I.10.7 Effet de la teneur en Fe - 50

I.10.8 Effet du traitement thermique - 50

I.10.9 Effet de la limite d'élasticité - 51

I.10.10 Effet de la structure eutectique - 51

I.11 Relation micro-macro - 54

I.11.1 Théorie - 54

I.11.2 Modèles de prédiction - 55

I.12 Bilan - 57

II Etude du vieillissement - 59

II.1 Présentation des matériaux - 59

II.1.1 AS5U3G T5 - 59

II.1.2 AS5U3G T6 - 60

II.1.3 AS10G T7 - 60

II.1.4 AS7UG T7 - 60

II.2 Essais de dureté - 60

II.2.1 Description du vieillissement - 60

II.2.2 Caractérisation du vieillissement à partir des essais de dureté - 61

II.2.3 Etude comparative du vieillissement - 65

II.3 Description des moyens d'essais mécaniques - 68

II.3.1 Fatigue isotherme - 68

II.3.2 Fatigue anisotherme - 70

II.3.3 Essais réalisés - 75

II.4 Bilan - 80

III Etude microstructurale - 81

III.1 Fractographies - 81

III.1.1 Faciès de référence - 81

III.1.2 Faciès observés - 81

III.2 Caractérisation de l'eutectique et du silicium dendritique (AS7G-AS10G) - 88

III.2.1 Fraction de phase eutectique - 88

III.2.2 Les Si eutectiques - 89

III.2.3 Les Si dendritiques - 89

III.3 Microstructure, évolution et différences entre matériaux - 93

III.3.1 Analyse des thermogrammes de DSC - 93

III.3.2 Observations au MET - 102

III.3.3 Résultats - 103

III.4 Diagrammes de phases - 111

III.4.1 Présentation et rappels - 111

III.4.2 Influence de la température - 111

III.4.3 Influence de la teneur en Si - 112

III.4.4 Influence de la teneur en Fe - 115

III.4.5 Cas de la dendrite - 115

III.4.6 Séquences de précipitation - 116

III.5 Bilan - 119

IV Simulation du comportement et de l'amorçage - 121

IV.1 Modèle de comportement macroscopique - 121

IV.1.1 Différents types de modélisation - 121

IV.1.2 Modèle viscoplastique phénoménologique - 122

IV.1.3 Le modèle élastoviscoplastique avec vieillissement - 123

IV.1.4 Ecriture sous chargement uniaxial - 124

IV.2 Résultats de comportement - 126

IV.2.1 Essais de fatigue isotherme - 126

IV.3 Essais de fatigue anisotherme - 128

IV.3.1 Boucles contrainte/déformation - 128

IV.3.2 Evolution de la contrainte en fonction du temps 128

IV.3.3 Essais de la littérature - 129

IV.4 Comparaison avec les modèles microscopiques - 134

IV.4.1 Application des modèles de la littérature - 134

IV.4.2 Approche micro-macro - 134

IV.4.3 Bilan - 137

IV.5 Modèle d'amorçage - 138

IV.5.1 Présentation du modèle - 138

IV.5.2 Stratègie d'identification - 140

IV.6 Bilan - 142

VV Calculs de structure - 143

V.1 Simulation de l'installation 3 barres - 143

V.1.1 Calcul par éléments finis - 143

V.1.2 Résultats obtenus - 144

V.1.3 Modèle simplifié de la mise en tonneau - 146

V.1.4 Durées de vie expérimentales et simulées - 149

V.2 Conditions du calcul de culasse - 151

V.2.1 Retour sur les calculs de (Nicouleau-Bourles E., 1999) - 151

V.2.2 Nouveau champ de déplacement imposé - 156

V.2.3 Méthode de saut de cycles - 156

V.2.4 Performances - 157

V.3 Résultats de calcul - 157

V.3.1 Champ de contraintes - 157

V.3.2 Analogie avec l'installation anisotherme - 158

V.3.3 Champ de contrainte de von Mises - 160

V.3.4 Champ de vieillissement - 161

V.3.5 Champ de déformation plastique cumulée - 162

V.4 Calcul de durée de vie sur culasse - 165

V.5 Localisation de l'amorçage - 165

V.6 Comportement anisotherme de l'élément 8811 - 170

V.7 Bilan - 181

VI Conclusion - 183

References - 185

AA Observations microstructurales - 199

A.1 Thermogrammes de DSC - 199

A.2 Observations de la pr´ecipitation au MET - 203

BB Mise en forme de la culasse - 225

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