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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
DS0303 -

Fatigue GIGAcyclique à partir de DEFauts internes – GIGADEF

GIGADEF, un projet qui ne manque pas d’ambition

Le projet a débouché sur la mise en place d’une expérience de fatigue in situ unique à ce jour. Cela a permis d’obtenir les premières données indispensables au progrès à réaliser pour prendre en compte l’effet des défauts internes dans le dimensionnement en fatigue des composants contenant ces défauts.

Fatigue Gigacyclique : un moyen unique pour favoriser l’amorçage des fissures internes

Le suivi de la propagation des fissures internes de fatigue dans les métaux reste une question délicate pour laquelle à ce jour uniquement 5 publications dans le monde font état de résultats expérimentaux consolidés. Le projet GIGADEF vise à proposer un nouveau moyen de test permettant de produire des résultats expérimentaux qui permettront de comprendre pourquoi les défauts internes sont moins nocifs que les défauts de surface pour les faibles durées de vie alors qu’ils le sont plus dans le domaine des très grandes durées de vie. L’enjeu est important, en effet les questions posées par la prolongation de la durée de vie de structures au-delà de leur fin de vie initiale peuvent conduire à de très grandes durées de vies (au-delà d’un milliard de cycles). Cette ‘extension de durée de vie’ favorise les amorçages internes qui n’avaient pas été prévus dans les calculs initiaux. Enfin, sur le plan fondamental, la compréhension du rôle des défauts internes en fatigue reste un sujet ouvert ayant peu de réponses expérimentales, ce qui nécessite de compléter les travaux actuels par de nouveau moyens pour apporter des réponses expérimentales.

1) Fabriquer des éprouvettes de fatigue contenant des défauts internes contrôlés
2) Concevoir et fabriquer une machine de fatigue ultrasonique in situ synchrotron
3) Mettre au point des techniques de détection et de suivi d’une fissure interne
4) Analyser des images tomographiques pour comprendre les mécanismes d’endommagement internes

1) Le premier enjeu a été de mettre en place une méthodologie pour fabriquer une éprouvette de fatigue contenant un défaut interne centré (Aluminium moulé). Ces défauts doivent amorcer une fissure de fatigue interne. En complément, une procédure a été mise en place pour fabriquer une fissure initiale interne dans un Titane laminé.
2) Favoriser l’amorçage interne en nous plaçant dans le domaine de la fatigue gigacyclique : fatigue ultrasonique pour avoir des temps d’essais raisonnables (13h = 1 milliard de cycles !).
3) Détection de fissure interne de 100 µm : vibromètre laser et thermographie infrarouge, suivi de propagation de fissure en 3D au synchrotron (résolution 1 µm).
4) Les résultats montrent que les fissures internes se propagent comme sous vide dans le Titane et que la morphologie des fissures est très complexe dans l’Aluminium. Ces fissures sont arrêtées pendant une partie très importante de la durée de vie par les joints de grains qui forment des barrières structurales très fortes à ce niveau de contrainte (~ 25% de la limite élastique).

Le projet GIGADEF a permis de concevoir, fabriquer et mettre au point une expérience unique au monde et obtenir les premiers résultats expérimentaux. Avec cette expérience, nous avons un outil qui va nous aider à comprendre le rôle des défauts internes sur la tenue en fatigue et la compétition avec les défauts de surface. A présent que le moyen expérimental est opérationnel, il faut engager des campagnes expérimentales de plus grande envergure sur différents matériaux pour obtenir des résultat expérimentaux à même de nous faire progresser sur la compréhension du rôle des défauts internes en fatigue. L’enjeu est important, en effet les questions posées par la prolongation de la durée de vie de structures au-delà de leur fin de vie initiale peuvent conduire à de très grandes durées de vies (au-delà d’un milliard de cycles). Cette ‘extension de durée de vie’ favorise les amorçages internes qui n’avaient pas été prévus dans les calculs initiaux.

Les résultats montrent que les fissures internes se propagent comme sous vide dans le Titane et que la morphologie des fissures est très complexe dans l’Aluminium. Ces fissures sont arrêtées pendant une partie très importante de la durée de vie par les joints de grains qui forment des barrières structurales très fortes à ce niveau de contrainte (~ 25% de la limite élastique).


Le projet GIGADEF aborde la problématique de la nocivité en fatigue des défauts internes inhérents au procédé de fonderie. La maîtrise de cette problématique est un enjeu essentiel pour faire évoluer les règles de prise en compte de l’impact de ces défauts sur la tenue en fatigue et doit permettre de concevoir au plus juste, alléger les structures et réduire les rebuts en augmentant ainsi la productivité. Si la littérature est abondante sur l’étude des défauts de surface en fatigue, il n’existe, à ce jour et à notre connaissance, que deux publications très récentes décrivant des résultats de propagation de fissure de fatigue interne (une provenant d’une équipe anglaise et l’autre d’une équipe japonaise). Le projet GIGADEF a pour objectif de concevoir, fabriquer et mettre au point un banc de test de fatigue ultrasonique in situ sous rayonnement synchrotron.

Deux matériaux ont été retenus, car ils sont disponibles et déjà très bien connus des équipes de recherche impliquées dans ce projet (fatigue, fatigue ultrasonique, fatigue sous air et sous vide, fissures courtes, mécanismes de propagation, diagramme de Kitagawa) : un aluminium moulé aéronautique AlSi7Mg06KT6 (version aéronautique de l’alliage d’Aluminium moulé utilisé pour les jantes de voiture) et une fonte à Graphite Sphéroïdal (fonte GS) pour application automobile (bras de liaison au sol). De plus, ces deux matériaux possèdent des marqueurs naturels pour la corrélation d’image numérique : particules de Silicium dans l’Aluminium et nodules de graphite pour la fonte GS.

L’objectif principal du projet est de détecter et suivre une fissure de fatigue interne amorcée à partir d’un défaut de fonderie.

Pour aboutir à cet objectif, il est nécessaire de se placer dans le domaine des très grandes durées de vie, au-delà de 10 millions de cycles, dans le but de favoriser l’amorçage interne. Quatre équipes de recherche et un centre technique sont réunis : P’, MATEIS, I2M+PIMM et CTIF et proposent d’aborder le sujet en 4 parties :

1) Fabriquer des éprouvettes de fatigue contenant des défauts internes, d’une part, une retassure interne centrée obtenue via des prélèvements successifs par électroérosion et tomographie de laboratoire dans la fonte GS, d’autre part, un défaut artificiel centré et reproductible dans l’Aluminium moulé.

2) Concevoir, fabriquer et mettre au point un banc de test de fatigue ultrasonique destiné à des essais in situ sous rayonnement synchrotron. Ce banc d’essai doit permettre d’observer les fissures sous chargement mécanique.

3) Mettre au point des techniques de détection et de suivi d’une fissure interne in situ :

- mesure de température (ponctuelle + cartographie) pour détecter la fissure et en assurer un suivi par une analyse inverse à l’aide d’un modèle thermomécanique complet,

- détection de la plus petite fissure possible par chute de fréquence et tentative de suivi de cette fissure par calibration (lien fréquence – taille de fissure),

- détection et suivi de la fissure par variation de potentiel 4 points et courbe de calibration numérique.

4) Analyse des images tomographiques pour comprendre les mécanismes d’endommagement par fatigue à partir des défauts internes et quantifier la morphologie du front de fissure pour calculer le facteur d’intensité des contraintes. Corrélation d’images numériques 3D pour suivre la déformation locale autour des défauts. Analyse des mécanismes de propagation des fissures de fatigue en lien avec l’environnement (air, vide et ultra vide) pour comprendre l’environnement des fissures internes.


Le projet GIGADEF a pour objectif de mettre en place une expérience de fatigue in situ unique à ce jour. Cela va permettre de mettre en avant sur la scène internationale les équipes de recherche impliquées mais permettra aussi d’obtenir les données quantitatives indispensables au progrès à réaliser pour prendre en compte l’effet des défauts internes dans le dimensionnement en fatigue des composants contenant ces défauts.


Coordinateur du projet

yves nadot (Institut P' - ENSMA)

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

MATEIS - CNRS Matériaux Ingeniérie Science
ENSAM - I2M - PIMM Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers - Institut de Mécanique et d'Ingénierie - Laboratoire de Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux
Centre Technique des Industries de la Fonderie
P' - ENSMA Institut P' - ENSMA

Aide de l'ANR 528 093 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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