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

INDiANA

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

Des défauts de fonderie à une durée de vie probable

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 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 avec (1) le pilotage du four (programme Labview, modification de la carte électronique), (2) l’amélioration du moule (conception du moule pour éprouvettes en cire, ajout d’un entonnoir de coulée). Une 1ère coulée (refroidissement naturel) de validation a permis d’identifier des voies d’amélioration comme le dégazage à l’argon du métal liquide. La coulée d’éprouvettes représentatives pour les essais macroscopiques est prévue d’ici fin 2014 puis, pour les essais sous tomographie, courant 2015. 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. Sept éprouvettes de 2x2mm² de section utile ont été testées : 2 à 150°C, 2 à 200°C et 3 à 250°C. Les essais se sont déroulés à amplitude de contrainte constante avec un rapport de chargement de 0,1 et une charge maximale de l'ordre de 150 % de la limite élastique. La taille de voxel de 2,75 µm ainsi que la forte cohérence spatiale du faisceau RX d'ID19 ont permis le facilement distinguer les particules de silicium et les fissures. 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 réalisés sur les microstructures 3D obtenues par tomographie de laboratoire ont permis de sélectionner les éprouvettes où la zone de plus forte déformation est localisée dans la longueur utile et choisir les paramètres de l’essai de fatigue ; la distribution hétérogène des défauts engendre une forte variabilité entre éprouvettes. 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 réalisés durant ces 18 premiers mois 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. Il est en phase de finition et est progressivement comparé à une homogénéisation numérique pour des chargements monotones, non-proportionnels ou encore cycliques effectuée sur des cellules élémentaires périodiques mono/poly-pores.

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 a

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.

Coordinateur du projet

Laboratoire de Mécanique de Lille (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Délégation régionale IDF SUD
ARMINES Centre des Matériaux de Mines Paris Tech
Centre Technique des Industries de la Fonderie
Laboratoire de Mécanique des Solides
Matériaux : Ingénierie et Science
Institut Jean Le Rond d'Alembert
Laboratoire de Mécanique de Lille
PEUGEOT CITROËN AUTOMOBILES SA

Aide de l'ANR 920 870 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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