CE08 - Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés

Etude 3D Data-Driven de la propagation des fissures de fatigue avec effets de surcharge – ADVENTURE

ADVENTURE: Etude 3D Data-Driven de la propagation des fissures de fatigue avec effets de surcharge

Le but d’ADVENTURE est d’étudier l’influence de surcharges pour construire des modèles prédictifs permettant de gérer des fissures de fatigue 3D, même courtes, avec une complexité et un effet d’histoire similaires à ceux rencontrés dans les structures réelles.

Prise en compte de l'influence des surcharges sur les fissures 3D : une question de sécurité

Des modèles fiables sont essentiels dans tout secteur où la fissuration est une question de sécurité. La relation entre vitesse de propagation avant surcharge et Facteur d’Intensité des Contraintes (FIC) est mise en défaut. Même si le phénomène est connu, les mécanismes restent controversés et, le plus souvent, étudiés en surface. Une compréhension des effets 3D résultant de la variation de taille de zone plastique le long du front de fissure requiert d’autres techniques expérimentales. <br /><br />Le couplage d’essais de fatigue sous tomographie synchrotron avec la corrélation de volumes numériques (CVN) permettra de mesurer les déformations et leur évolution après surcharge. Pour obtenir une résolution élevée de la CVN, un alliage Al-Si à grains fins avec un mouchetis naturel sera fabriqué. Des essais 2D permettront d'élargir la base de données expérimentale. Les données (champs de déplacement, fissures) 2D et 3D, inédites à cette échelle, alimenteront un nouveau Modèle de fissuration Incrémental, au même titre que la plasticité, et Généralisé (MIG), qui s’affranchit de la loi de Paris. La vitesse de propagation étant liée à la plasticité en pointe de fissure, celle-ci sera mesurée par une approche Data-Driven et caractérisée par des descripteurs topologiques de la zone plastique formant un Indicateur d’Ecoulement Plastique (IEP). La fissure sera aussi décrite par un FIC étendu (FIC++) incluant les contraintes T et B liées aux effets de structure/bridage. Le modèle MIG consiste à interroger la base de données expérimentale pour obtenir, lors d'une simulation numérique élastique, l'estimation de la vitesse de propagation à partir de l'évaluation du FIC++ le long du front de fissure et l'évolution de l’IEP.

La méthodologie proposée se résume ainsi : (1) Un matériau de structure : un alliage de moulage Al-Si à grains fins avec particules de silicium ; (2) Des essais de fatigue avec surcharge réalisés sous tomographie synchrotron pour distinguer les fines particules de Si et suivre la croissance 3D de fissures. Des essais 2D complémentaires permettant de varier les effets de structure/bridage ; (3) Des mesures de champs 2D/3D permettant de comprendre les mécanismes agissant lors d’une surcharge par le suivi de la fissure et des vitesses de propagation mais aussi l’extraction de FIC++ ; (4) Les données alimenteront la base du modèle MIG avec les FIC++ et les IEP déduits des champs de déplacement par une approche Data-Driven; (5) La validation consistera à reproduire, par une simulation numérique 3D X-FEM utilisant le MIG, les observations expérimentales.

Les premiers résultats obtenus dans le cadre du projet sont les suivants.
(1) Obtention d’un alliage Al-Si à grains fins:
Le CTIF a réussi à élaborer rapidement un alliage Aluminium Silicium à grains fin (~100 µm) avec une distribution de Silicium eutectique formant un mouchetis naturel indispensable pour la corrélation d’images. Les premiers essais confirment la faisabilité de la corrélation sur les images de tomographie obtenues (mouchetis de Si adéquat) et la relative planéité de la fissuration grâce aux grains suffisamment fins. Trois campagnes de production d’éprouvettes ont été livrées.
(2) Essai de fissuration en fatigue avec 3 surcharges réalisé in-situ sous tomographie synchrotron:
Une campagne d’essais a été réalisée en décembre 2021 à SLS. Les éprouvettes ont été usinées dans l’alliage Aluminium Silicium à grains fins élaboré par le CTIF. Nous avons réussi un essai de fissuration avec 3 surcharges. Après chaque surcharge, un arrêt est observé et des acquisitions tomographiques régulières ont permis de détecter la reprise de la propagation. Des acquisitions tomographiques ont été réalisées aux charges minimales et maximales du cycle lors de la propagation avant la surcharge, puis à différents chargements intermédiaires à la décharge des cycles qui précèdent et suivent la surcharge. L’objectif est d’étudier l’évolution de la fermeture avec la surcharge pour mieux comprendre le ralentissement induit par la surcharge sur la fissuration. Les résultats sont en cours de dépouillement.
(3) Essai de fissuration sur éprouvettes SENT:
Une chaîne d’outils expérimentaux a été développée qui rend complètement automatique la réalisation des essais de fatigue sur éprouvette SENT. La prise de décision pour la réalisation des surcharges est facilitée par un suivi par corrélation d’images en temps réel.

Les nombreuses données (3D sous tomographie et 2D sur éprouvettes SENT) obtenues en fissuration mettent bien en évidence le ralentissement après surcharge. Un important travail de dépouillement et d'analyse s'annonce pour les prochains mois : corrélation d'images, extraction des facteurs d'intensités des contraintes, description topologique de la zone plastique... Une fois celui-ci réalisé nous aurons une base de données à partir de laquelle développer le modèle MIG sur une approche data-driven.

*In-situ 3D study of fatigue crack growth with overload effects in AlSi alloy. L. Sanciet--Munier, N. Limodin, J-Y Buffière, J-F Witz, M. Coret, G. Bahaj Filali, Y. Gaillard, M. Fleuriot, A. Weck. 5th International Conference on Tomography of Materials & Structures (ICTMS 2022), 27 Jun – 1 Jul 2022, Grenoble.

*Étude 3D in-situ de la propagation de fissures de fatigue avec effets de surcharge dans un alliage AlSi. L. Sanciet--Munier, N. Limodin, J-Y Buffière, J-F Witz, M. Coret, G. Bahaj Filali, Y. Gaillard, M. Fleuriot, A. Weck, A. Bonnin, G. Lovric, J. Lachambre. Congrès Français de Mécanique 2022, 29 Aoû – 2 Sep 2022, Nantes.

*Metalnews CTIF Avril 2022 www.ctif.com/en-cours-adventure-etude-3d-data-driven-de-la-propagation-des-fissures-de-fatigue-avec-effets-de-surcharge/

Le but d’ADVENTURE est d’étudier l’influence de surcharges pour construire des modèles prédictifs permettant de gérer des fissures de fatigue 3D, même courtes, avec une complexité et un effet d’histoire similaires à ceux rencontrés dans les structures réelles.

Des modèles fiables sont essentiels dans tout secteur où la fissuration est une question de sécurité. La relation entre vitesse de propagation avant surcharge et Facteur d’Intensité des Contraintes (FIC) est mise en défaut. Même si le phénomène est connu, les mécanismes restent controversés et, le plus souvent, étudiés en surface. Une compréhension des effets 3D résultant de la variation de taille de zone plastique le long du front de fissure requiert d’autres techniques expérimentales.

Le couplage d’essais de fatigue sous tomographie synchrotron avec la corrélation de volumes numériques (CVN) permettra de mesurer les déformations et leur évolution après surcharge. Pour obtenir une résolution élevée de la CVN, un alliage Al-Si à grains fins avec un mouchetis naturel sera fabriqué. Des essais 2D permettront d'élargir la base de données expérimentale. Les données (champs de déplacement, fissures) 2D et 3D, inédites à cette échelle, alimenteront un nouveau Modèle de fissuration Incrémental, au même titre que la plasticité, et Généralisé (MIG), qui s’affranchit de la loi de Paris. La vitesse de propagation étant liée à la plasticité en pointe de fissure, celle-ci sera mesurée par une approche Data-Driven et caractérisée par des descripteurs topologiques de la zone plastique formant un Indicateur d’Ecoulement Plastique (IEP). La fissure sera aussi décrite par un FIC étendu (FIC++) incluant les contraintes T et B liées aux effets de structure/bridage. Le modèle MIG consiste à interroger la base de données expérimentale pour obtenir, lors d'une simulation numérique élastique, l'estimation de la vitesse de propagation à partir de l'évaluation du FIC++ le long du front de fissure et l'évolution de l’IEP.

La méthodologie proposée se résume ainsi : (1) Un matériau de structure : un alliage de moulage Al-Si à grains fins avec particules de silicium ; (2) Des essais de fatigue avec surcharge réalisés sous tomographie synchrotron pour distinguer les fines particules de Si et suivre la croissance 3D de fissures. Des essais 2D complémentaires permettant de varier les effets de structure/bridage ; (3) Des mesures de champs 2D/3D permettant de comprendre les mécanismes agissant lors d’une surcharge par le suivi de la fissure et des vitesses de propagation mais aussi l’extraction de FIC++ ; (4) Les données alimenteront la base du modèle MIG avec les FIC++ et les IEP déduits des champs de déplacement par une approche Data-Driven; (5) La validation consistera à reproduire, par une simulation numérique 3D X-FEM utilisant le MIG, les observations expérimentales.

Pour atteindre ces objectifs, les 4 partenaires partageront leur expertise en métallurgie des alliages d'aluminium (CTIF), en essais de fatigue couplés à des mesures de champs (LaMcube) et réalisés in situ sous tomographie X (MATEIS) et en techniques d’identification Data-Driven (GeM).

Ce projet collaboratif répond aux objectifs de l’axe “Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés”. Il permettra de comprendre les mécanismes de fissuration 3D en couplant des essais in situ avec des mesures d’une résolution inédite en 3D. La richesse des données expérimentales permettra de proposer et valider un nouveau modèle 3D de prédiction de la fissuration pouvant être implémenté dans n’importe quel logiciel. Des outils plus prédictifs donneront des structures plus fiables, par exemple dans le transport et l’énergie.

Coordination du projet

Nathalie Limodin (Laboratoire de Mécanique, Multiphysique et Multiéchelle)

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 Matériaux : Ingénierie et Science
GeM INSTITUT DE RECHERCHE EN GÉNIE CIVIL ET MÉCANIQUE
LaMcube Laboratoire de Mécanique, Multiphysique et Multiéchelle
CTIF CENTRE TECHNIQUE INDUSTRIES FONDERIE

Aide de l'ANR 540 616 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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