Influence des défauts de fonderie dans l’endommagement par fatigue thermomécanique oligocyclique des alliages d’aluminium obtenus par un procédé à modèle perdu – INDiANA

Les principales étapes du projet sont donc (i) l’obtention par fonderie d'éprouvettes représentatives de la microstructure du composant avec des défauts contrôlés à la fois en emplacement et en taille et la caractérisation de celles-ci en 3D afin de valider ce procédé et d’obtenir des données 3D pour les modèles numériques, (ii) de comprendre les micromécanismes en fatigue (thermo)mécanique en utilisant à la fois des essais in situ sous microtomographie X et des essais plus classiques couplés à de la Corrélation d’Images / Volumes Numérique, (iii ) de proposer un modèle prédictif de fatigue pour les matériaux hétérogènes contenant des défauts volumiques sur la base de simulations numériques et de techniques d'homogénéisation micromécaniques non linéaires et (iv) d’intégrer ces résultats dans une stratégie industrielle de dimensionnement probabiliste à la fatigue thermomécanique. Cette intégration industrielle conduira à l'adaptation des méthodes développées en vue de proposer une méthode de dimensionnement macroscopique basée sur les observations microscopiques des mécanismes physiques.

1. Eprouvettes représentatives : La simulation numérique a permis de déterminer les paramètres du refroidissement pour l’obtention d’éprouvettes représentatives. La mise au point du procédé a progressé. En attendant, des éprouvettes de fatigue ont été prélevées sur culasses puis une sélection (impliquant caractérisation 3D et calculs de microstructure) a permis de déterminer les éprouvettes représentatives les mieux adaptées aux essais.
2. Essais in-situ sous tomographie : Des essais de fatigue à hautes températures ont été menés sur la ligne ID19 de l'ESRF dans le but de voir l'amorçage de fissures et l'évolution de l’endommagement de l'AS7Cu3 sous sollicitations mécaniques cycliques. Un four spécialement développé pour réaliser des essais en synchrotron avec une micro-machine de fatigue du laboratoire MATEIS ont été utilisés.A ce jour, ce sont les premiers essais de fatigue qui ont été observés en tomographie à une température différente de la température ambiante.
3. Calculs de microstructure : Des calculs EF de microstructure 3D ont été réalisés. Le maillage tétraédrique 3D (Avizo) est généré à partir de la matrice seuillée sans les pores. Le calcul Abaqus élastoplastique est d’abord réalisé pour des conditions de chargement simplifiées. Après essai, un nouveau calcul, sur la microstructure issue des images synchrotron et avec les conditions aux limites réelles, permet de comparer champ de déformation calculé et champ mesuré par corrélation d’images pour comprendre l’influence des pores. Un calcul de microstructure plus représentatif prenant en compte les inclusions rigides est envisagé pour la suite.
3. Homogénéisation : Les travaux concernant la tâche 3 reposent sur l’élaboration d’un modèle d’homogénéisation analytique pour matériaux poreux avec effet de forme des pores et écrouissage combiné : isotrope-cinématique. Ce modèle a été testé et implémenté dans le logiciel éléments finis via une UMAT sur Abaqus.

Ce projet de recherche a aussi un impact à moyen terme sur l’environnement par l'optimisation du procédé PMP, sur la fiabilité mécanique des structures et sur l’allègement.

Limodin, N., El Bartali, A., Wang, L., Lachambre, J., Buffiere, J.-Y., and Charkaluk, E., 2014, «Application of X-ray microtomography to study the influence of the casting microstructure upon the tensile behaviour of an Al-Si alloy,« Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 324, pp. 57-62.

Wang, L., Limodin, N., El Bartali, A., Réthoré, J., Witz, J.-F., Seghir, R., Charkaluk, É., and Buffiere, J.-Y., June 29–July 2, “Influence of the Casting Microstructure upon the Tensile Behaviour in A319 Al-Si Alloy Investigated by X-Ray Tomography and Digital Volume Correlation,” 2nd International Congress on 3D Materials Science, Wiley - TMS, L’Impérial Palace, Annecy, France, pp. 73–78.

Dahdah, N., Limodin, N., El Bartali, A., Witz, J.-F., Seghir, R., Wang, L., Charkaluk, É., and Buffiere, J.-Y., June 29-July 2, «Influence of the Lost Foam Casting Microstructure on Low Cycle Fatigue Damage of A319 Aluminum Alloy,« 2nd International Congress on 3D Materials Science, Wiley - TMS, L'Impérial Palace, Annecy, France, pp. 97-102.

F Szmytka, N Limodin, L Wang, P Osmond, J Adrien, E Charkaluk , J-Y Buffiere, Probabilistic thermal-mechanical fatigue criterion for lost foam casting aluminium alloys based on 2D/3D porosities distribution, Fatigue Design and Material Defects, Paris 2014

S. Dézecot, V. Maurel, A. Köster, F. Szmytka, JY Buffières, X ray tomographic characterisation of damage in a cast Al alloy during thermomechanical fatigue tests, 3DMS conference, Annecy 2014

Depuis des décennies, en raison de considérations environnementales et d’objectifs de réduction des coûts, les constructeurs automobiles ont mené une stratégie de downsizing, en particulier pour les pièces moteur comme les blocs cylindres ou les culasses. Dans ce dernier cas, les alliages d'aluminium ont été choisi pour remplacer la fonte et, depuis quelques années, le Procédé à Modèle Perdu (PMP) a été introduit afin de remplacer la Coulée par Gravité (CG) pour des questions d’optimisation de géométrie, de réduction des coûts et de réduction de masse et donc de consommation. Une des conséquences de ce downsizing est l’augmentation de la puissance spécifique du moteur et des flux de combustion. La culasse devient donc l’une des pièces la plus critique du moteur automobile, soumise à des chargements thermomécaniques sévères lors du cycle de démarrage-arrêt du véhicule.
Une spécificité importante du procédé PMP est le fait que la vitesse de refroidissement est relativement lente par rapport au procédé CG, ce qui crée une microstructure grossière en terme de SDAS mais également une augmentation du nombre de porosités et d’inclusions (intermétalliques, oxydes). Récemment, il a été montré par certains des partenaires du projet que l’endommagement en fatigue oligocyclique thermomécanique (LCF / TMF) est le résultat d'une compétition entre porosités et phases intermétalliques et eutectiques, ce qui peut réduire de façon drastique, dans certains cas, la durée de vie et, par conséquent, la fiabilité des pièces.
L'objectif principal du projet INDiANA est une compréhension fine du phénomène de fatigue thermomécanique de ce type d’alliages afin d'améliorer les critères de fatigue grâce à une approche de modélisation multi-échelle et, par conséquent, la fiabilité cible des composants moteur. Cela nécessite des analyses métallurgiques 2D et 3D, des essais de fatigue isothermes et anisothermes avec des mesures de champs 2D et 3D, des calculs de microstructure et des techniques d'homogénéisation non-linéaires qui combleront l'écart entre la modélisation phénoménologique actuelle en fatigue oligocyclique et les simulations micromécaniques.
Les principales étapes de cette proposition sont donc (i) l’obtention par fonderie d'éprouvettes représentatives de la microstructure du composant avec des défauts contrôlés à la fois en emplacement et en taille et la caractérisation de celles-ci en 3D afin de valider ce procédé et d’obtenir des données 3D pour les modèles numériques, (ii) de comprendre les micromécanismes en fatigue (thermo)mécanique en utilisant à la fois des essais in situ sous microtomographie X et des essais plus classiques couplés à de la Corrélation d’Images / Volumes Numérique, (iii ) de proposer un modèle prédictif de fatigue pour les matériaux hétérogènes contenant des défauts volumiques sur la base de simulations numériques et de techniques d'homogénéisation micromécaniques non linéaires et (iv) d’intégrer ces résultats dans une stratégie industrielle de dimensionnement probabiliste à la fatigue thermomécanique. Cette intégration industrielle conduira à l'adaptation des méthodes développées en vue de proposer une méthode de dimensionnement macroscopique basée sur les observations microscopiques des mécanismes physiques.
Le succès de INDiANA repose sur la combinaison d’expertises existantes chez les différents partenaires en microtomographie X, en fatigue, en analyses des micromécanismes à l’aide de mesures de champs, en procédés de fonderie, en simulations numériques et en micromécanique. En outre, un atout majeur du consortium est la présence d'une solide expérience du dimensionnement à la fatigue de structures industrielles et de nombreuses années de collaboration active par l'intermédiaire de thèses communes, de postdoctorats et de stages.
Ce projet de recherche a aussi un impact à moyen terme sur l’environnement par l'optimisation du procédé PMP, sur la fiabilité mécanique des structures et sur l’allègement.