Ductile tearing of AA2198 aluminum-lithium sheets for aeronautic application
Déchirure ductile des tôles en alliages d'aluminium-lithium 2198 pour application aéronautique
Résumé
The purpose of this thesis consists in understanding the influence of microstructure on plastic anisotropy and fracture toughness for two grade 2198 Al-Cu-Li alloys. The sheet thicknesses are 2~mm and 6~mm. Two heat treatment conditions (T351 and T851) were studied for each grade. Multiscale characterization techniques including optical micrography, transmission electron microscopy and X-ray computed tomography have been used to identify materials microstructure and damage micro-mechanisms. Plastic anisotropy and thickness effect on plasticity have been investigated via tensile tests on smooth flat and notched flat specimens showing an anisotropic plastic behaviour along different loading directions. Ductile tearing behaviour was examined using small sized Kahn specimens and large panels M(T) tests. Fracture toughness anisotropy was investigated on different loading configuration tests. Fractography via scanning electron microscopy (SEM) and synchrotron radiation computed tomography (SRCT) have clarified the intergranular and transgranular mechanisms of fracture with respect to grain structure and heat treatment. Void growth is limited in the crack propagation regions. Finally, the finite element simulation of ductile tearing is based on the local approach to fracture using cohesive zone model (CZM). The cohesive parameters were adjusted on small sized Kahn specimens. Fitted parameters were employed to predict the ductile tearing behaviour of M(T) tests. Simulation results show that the fitted cohesive parameters are more sensitive for M(T) tests than for Kahn tests. The thickness effect was assessed using node release technique by analysing variation of stress and strain along thickness direction.
L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension de l'influence de la microstructure sur l'anisotropie plastique et la ténacité de deux nuances d'alliage Al-Cu-Li 2198 sous forme de tôle. L'épaisseur de tôles est 2 mm et 6 mm. Deux traitements thermiques (T351 et T851) ont été étudiés pour chaque nuance. Différentes techniques de caractérisation multi-échelles telles que la microscopie optique, la microscopie électronique en transmission ou encore la tomographie à rayons X ont été utilisées pour identifier les microstructures des matériaux et les micro-mécanismes d'endommagement. L'anisotropie plastique et l'effet d'épaisseur sur la plasticité ont été étudiés via des essais de traction sur les éprouvettes lisses et entaillées selon différentes directions. Les résultats montrent que le comportement plastique est anisotrope dans le plan de tôle. Le comportement en déchirure ductile a été examiné en utilisant des éprouvettes de petite taille de type Kahn ainsi que des plaques larges de type M(T). L'anisotropie de ténacité a été étudiée sur les éprouvettes chargées selon différentes configurations. La fractographie par microscope électronique à balayage (MEB) et la tomographie synchrotron aux rayons X ont clarifié le rôle des structures granulaires et des traitements thermiques sur les mécanismes de la rupture inter-granulaire et trans-granulaire. La croissance de cavités reste limitée dans la zone de propagation de fissure. En fin, la simulation de la déchirure ductile par élément finis est basée sur l'approche locale de la rupture en utilisant un modèle de zone cohésive (CZM). Les paramètres cohésifs ont été ajustés sur les éprouvettes Kahn. Les paramètres identifiés ont été employés pour prédire la déchirure ductile des essais M(T). Les résultats montrent que la simulation des essais M(T) est plus sensible aux valeurs des paramètres ajustés que la simulation des essais Kahn. L'effet d'épaisseur a été évalué à l'aide de la technique de relâchement des nœuds en analysant la variation de la contrainte et de la déformation dans la direction de l'épaisseur.