d’aluminium 6061-T6 : approche micromécanique

La caractérisation tridimensionnelle de la microstructure est réalisée avec l'aide de Franck Nguyen et Henry Proudhon du Centre des Matériaux. RT représente les résultats de la simulation par éléments finis à l'aide du modèle Rice-Tracey.

INTRODUCTION

C ONTEXTE INDUSTRIEL

L'objectif de cette thèse est de comprendre et modéliser cette problématique industrielle sur un matériau non irradié afin de garantir que le matériau soit ductile et résistant. Cette thèse servira de référence pour les futurs travaux à mener sur le matériau irradié.

P ROBLÉMATIQUE SCIENTIFIQUE

L'évolution de l'endommagement est étudiée via des observations microstructurales réalisées lors d'essais de déformation in situ en surface ou dans le volume. Les résultats obtenus pourront être utilisés pour de futures investigations sur le comportement de structures réelles et sur des matériaux à l'état irradié.

P LAN DU MANUSCRIT ET MÉTHODES UTILISÉES

Essais de traction sous SEM in-situ, pour caractériser la séquence d'endommagement de surface des échantillons. Essais de traction intermittents sur des échantillons asymétriques entaillés observés en tomographie à rayons X, pour caractériser le mécanisme d'endommagement tridimensionnel pour différentes vitesses de déformation et triaxialité.

CARACTÉRISATIONS MICROSTRUCTURALES ET MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX

P HASES CRISTALLOGRAPHIQUES

• Les précipités nanométriques Mg x Si y
• Les précipités Mg 2 Si grossiers
• Les intermétalliques au fer (IMF)
• Les dispersoïdes au chrome et au manganèse

Des phases stables de Mg2Si, dites phases « grossières » de taille micrométrique, se forment lors de la solidification et du refroidissement de l'alliage après coulée. Tout comme les précipités grossiers de Mg2Si provenant des pièces moulées, les dépôts grossiers d'intermétalliques de fer peuvent avoir un impact néfaste sur la ductilité et la ténacité de l'alliage.

M ATÉRIAUX ET TRAITEMENTS THERMOMÉCANIQUES

• M
• Traitements thermomécaniques
• I NFLUENCE DE LA MICROSTRUCTURE SUR LA TÉNACITÉ DE L AA
• Ténacité K 1C et J 1C
• Influence de la microstructure sur la ténacité

Cette étape permet la fermeture des porosités issues de la coulée, ainsi que la fragmentation des intermétalliques de fer. 22] ont montré qu'une augmentation de la température et de la durée de mise en solution entraînait des augmentations de Rp0,2, Rm et A% (entre 530°C et 560°C pour des temps compris entre 30 min et 2h).

C ARACTÉRISATIONS MICROSTRUCTURALES ET MORPHOLOGIQUES APRÈS FABRICATION

• Observations qualitatives en surface
• Observations qualitatives par tomographie X
• Analyses quantitatives
• Conclusions sur la caractérisation microstructurale

L’algorithme de ligne de partage des eaux (WPL) est utilisé pour atteindre cet objectif [50, 51]. La figure 34 montre l'histogramme de la distribution des diamètres de Féret des cellules LPE pour les précipités grossiers de Mg2Si et les intermétalliques de fer.

P ROPRIÉTÉS M ÉCANIQUES

• Étude du comportement mécanique des phases : micro-indentation
• Propriétés mécaniques en traction
• C

La déformation conventionnelle (allongement) est calculée en divisant le déplacement du cylindre par la longueur de la partie utile calibrée de l'échantillon. La contrainte conventionnelle est déterminée en divisant la force par la partie initiale de l'échantillon selon la formule. Au-delà de l’instabilité, le chargement devient multiaxial du fait de l’effet de niveau provoqué par le col.

La figure 44 montre le profil de l'échantillon poli lors de l'essai de traction pour différents retraits de diamètre par le système de mesure laser. La figure 45 présente les évolutions du rayon de coupe de l'échantillon en fonction du retrait diamétral des éprouvettes découpées. L'évolution du rayon de courbure suit l'effet dominant qui dépend de la capacité de durcissement et de l'endommagement du matériau.

La figure 47 montre la force appliquée en fonction de l'ouverture de fissure mesurée par extensomètre lors des essais de ténacité sur les configurations LS et TS. Cette diminution de force a conduit à une avancée soudaine de la fissure (voir Figure 48, qui montre l'intégrale de contour J en fonction de l'avancée de la fissure).

B ILAN

• Procédure expérimentale
• Résultats

Le degré de triaxialité des contraintes est un facteur important dans le développement des dommages ductiles [67]. Afin d'observer l'évolution de l'endommagement, les essais de traction sont interrompus à plusieurs niveaux de charge. Des analyses sont ensuite effectuées sur des images prises à faible grossissement et compilées pour quantifier l'évolution des dommages.

Par conséquent, l’évolution des dommages à un degré de triaxialité plus élevé sera analysée dans le paragraphe suivant. Dans ce paragraphe, nous déterminerons en 3D l'évolution de l'endommagement au centre des éprouvettes de traction entaillées à symétrie axiale pour différents degrés de triaxialité des contraintes. L'évolution de l'endommagement dépend fortement de la vitesse de déformation et du degré de triaxialité des contraintes.

La figure 66 montre l'évolution de l'endommagement en fonction du degré de contrainte triaxiale (T) et du degré de déformation équivalente (eq). Dans cette section, l'évolution de l'endommagement a été quantifiée en 3D au centre d'éprouvettes de traction entaillées axisymétriques, interrompues en.

M ÉCANISME D ENDOMMAGEMENT DURANT LA PROPAGATION DE FISSURE ( APPORT DE LAMINOGRAPHIE X IN - SITU )

• Procédure expérimentale
• Résultats expérimentaux

Cela offre une opportunité unique d’observer et d’analyser l’évolution des dommages en 3D lors de l’initiation et de la propagation des fissures dans la masse des matériaux [104, 105]. L'observation in situ de la propagation des fissures en volume a été réalisée par Morgeneyer et al. La première lettre représente la direction de la contrainte et la seconde la direction de propagation de la fissure.

La direction longue de la zone analysée correspond à la direction de propagation des fissures (direction S). Cette direction correspond à la direction de la zone plastique avant la fissure (voir paragraphe IV.2.3.3.b). La figure 73 montre un zoom de la zone proche du chemin de propagation de la fissure.

Sur la figure 74c, on observe alors que le centre de la fissure ne couvre pas toute l'épaisseur de l'échantillon, car elle se propage selon une forme triangulaire. Les dommages pré-fissures peuvent être observés en 3D grâce au SRCL, comme le montrent les Figure 75 et Figure 76.

A NISOTROPIE D ENDOMMAGEMENT (A PPORT DES OBSERVATIONS DES ÉPROUVETTES DE TÉNACITÉ )

• Procédure expérimentale
• Résultats expérimentaux

La figure 78 montre l'effet sur la ténacité de la forme des cavités avant la fissure frontale. La figure 79 montre l'effet sur la ténacité de la répartition des vides avant la fissure. La valeur X0 représente la distance inter-cavité selon la direction de propagation de la fissure.

Plus la distance entre les cavités dans le sens de propagation des fissures est grande, plus la valeur de ténacité est élevée. Les échantillons ont été prélevés par électroérosion dans la partie de propagation de la fissure (bordée en rouge sur la Figure 46). Les courbes de développement de force en fonction du CMOD (Crack Mouth Opening Displacement) sont présentées sur la figure 47a.

Une seule ligne peut être tracée le long de la direction L sur la figure 85a en raison de la courte longueur de propagation des fissures. La figure 90 représente l'évolution de la fraction volumique d'endommagement moyen, moyennée sur la largeur de l'éprouvette, selon la direction de propagation de la fissure.

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Dans le cas LS, les précipités grossiers de Mg2Si sont alignés perpendiculairement au plan de propagation de la fissure. Le deuxième mécanisme de rupture intragranulaire observé dans la direction LS correspond à un endommagement ductile dans une deuxième population de précipités (dispersoïdes de Cr et Mn.

VALIDATION DES MICROMÉCANISMES ET “IMULATION“ D ENDOMMAGEMENT

I NTRODUCTION DE LA DEMARCHE METALLURGIQUE DE VALIDATION

• Caractérisation microstructurale des matériaux modèles
• Propriétés mécaniques des matériaux modèles
• C FLM

M ODÉLISATION DE LA TÉNACITÉ

• Modèles analytiques simples à base physique
• Modèle non-couplé de Rice-Tracey
• Modèle couplé de Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN)

La figure 16 décrit assez bien l'effet de la fraction volumique sur la ténacité selon une loi linéaire en fv-1/6. La valeur de ténacité augmente si la fraction volumique des précipités grossiers de Mg2Si diminue. La fraction volumique des matériaux intermétalliques ferreux est alors considérée comme la valeur maximale de la fraction de vides nucléés.

En effet, la fissure occupe un faible volume dans la simulation de propagation de fissure. Comme prévu, pour une même déformation, la valeur moyenne de la fraction volumique des cavités pour AE4 est inférieure à celle pour AE2. La comparaison de la fraction volumique des vides devant la fissure entre simulation et expérience est illustrée dans la Figure 112.

Par conséquent, la valeur de la fraction volumique des vides bien en avant du front de fissure est de 0,25 % (fraction volumique des précipités grossiers de Mg2Si) dans la simulation et de 0 % dans l’expérience. La visualisation de la déformation équivalente dans l'épaisseur moyenne de l'échantillon avec une ouverture 5=62µm est présentée dans la Figure 114.

B ILAN

Plusieurs modèles ont été utilisés comme outils de prédiction et de compréhension pour étudier l'effet de la triaxialité des contraintes, de l'anisotropie et des précipités grossiers sur la résistance. Ce modèle nous a permis d'identifier la tendance d'évolution de la résistance en fonction de la teneur en précipités grossiers de Mg2Si. D’autre part, ce modèle suggère que la stabilité augmente lorsque la taille moyenne des précipités grossiers augmente, ce qui contredit l’observation de l’évolution des dommages.

Avec un taux de croissance critique qui ne dépend pas de la triaxialité lors de la phase de croissance de la cavité, ce modèle prédit assez bien la rupture des essais de traction sur éprouvettes axisymétriques entaillées pour la direction de contrainte T. Pour la direction de contrainte T, les paramètres d'endommagement sont identifiés sur la microstructure 3D obtenue par tomographie à rayons X, le test de laminographie aux rayons X in situ et le test de traction SEM in situ. Les paramètres d'endommagement pour la direction de contrainte L et pour le matériau FLM6 n'ont pas été déterminés grâce à l'expérience de laminographie aux rayons X in situ.

Avant le fond de fissure, un endommagement s'initie sur les dépôts grossiers. En raison de la faible résistance à la propagation des fissures, la fissure pourra se propager.

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

• C ONCLUSIONS
• P ERSPECTIVES
• Identification des paramètres du modèle GTN
• E
• E PROUVETTES AE
• E PROUVETTES DE LAMINOGRAPHIE X
• E PROUVETTES CT

Dans le cas du TS, les exsudats sont alignés dans le plan de propagation des fissures. Ces matériaux ont été obtenus en augmentant la température de la solution (560 °C au lieu de 530 °C), ce qui permet une meilleure dissolution des précipités grossiers de Mg2Si. Ce modèle permet de déterminer la tendance de la ténacité par rapport aux inclusions grossières de Mg2Si, mais ne permet pas d'illustrer l'anisotropie d'endommagement ni l'influence de la taille des inclusions sur la ténacité.

Le troisième modèle de dommage couplé de type Gurson (GTN) est ensuite utilisé et permet de simuler la propagation des fissures. Cet écart est dû à une surestimation des paramètres de la loi germinale et au fait que le deuxième mécanisme n'est pas pris en compte. Dans la direction L, le modèle reproduit bien une augmentation de ductilité et de ténacité.

En revanche, le modèle surestime les propriétés en raison de l'augmentation de la proportion de fracture intragranulaire (endommagement d'une seconde population de précipités plus petits) qui n'est pas prise en compte dans le modèle. Au cours de cette thèse, je me suis particulièrement attaché à la mise en évidence de la séquence d'endommagement, ce qui conduit à la formulation et à l'identification de modèles micromécaniques d'endommagement.