Hydrogen-induced Intergranular Fracture of Aluminum-Magnesium Alloys
Rupture intergranulaire induite par l'hydrogène dans les alliages d'aluminium-magnésium
Résumé
Aluminium alloys that are strengthened by alloying elements in solid solution may present a particular sensitivity to intergranular stress corrosion cracking as a result of intergranular dissolution. In Al-5Mg alloys such as AA5083, precipitation of the β-phase (Al3Mg2) at grain boundaries strongly favours intergranular fracture. Previous experimental studies revealed that local plasticity seems to play a significant role in crack initiation. Nevertheless, the exact role of crystal plasticity in the vicinity of grain boundaries is not well understood. The main goal of this doctoral thesis is two-fold: (i) to study the role of the local stress and strain fields on the mechanism of intergranular stress corrosion cracking and, based on such understanding, (ii) to develop a micro-mechanics based model to predict the onset of grain boundary cracking, through a suitably defined failure criterion, and the subsequent intergranular crack propagation. An experimental procedure based on in-situ tensile tests within the chamber of an scanning electron microscope was developed to measure the evolution of local strain fields at various microstructural scales and of lattice orientation using digital image correlation and electron backscatter diffraction (EBSD) techniques, respectively. Digital image correlation techniques were used in particular over areas comprising just a few grains up to mesoscopic regions of the polycrystal to quantify the deformation and strain fields required in the multi-scale study of intergranular fracture. From these observations, it was established that interfaces between two grains which have undergone little amount of deformation but lying within a neighbourhood of significantly deformed grains are the first to develop micro-cracks. In addition, X-Ray tomography and serial EBSD sectioning analyses revealed that cracked grain boundaries were perpendicular to the applied tensile load, where maximum tensile tractions are expected. To determine the role of local stresses and local plasticity on the mechanisms of intergranular fracture, a dislocation mechanics based crystal plasticity model was employed to describe the constitutive behaviour of each grain in the finite element model of the in-situ experiments. The model parameters were calibrated as a function of the solid solution magnesium content in the aluminium alloy. Measured EBSD maps were relied upon to define the orientation of the discrete grain regions of the in-situ specimens in the corresponding multi-scale finite element (FE) models. From the FE results, a range of threshold values of the normal grain boundary tractions needed to initiate intergranular cracks was identified. This finding is in close agreement with the predictions from an analytical solution of a simplified model of intergranular cracking based on an extension of Eshelby's theory for inclusions. Finally, a cohesive zone model calibrated with the critical grain boundary tractions and typical surface energies was added to the FE model of the polycrystal. A comparison between the experimental and numerical results reveals a good agreement with the observed experimental cracking pattern.
Les alliages d'aluminium de la famille 5XXX (Al-Mg) sont utilisés dans la fabrication de pièces de structure en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, de soudabilité et de résistance à la corrosion. Toutefois, dans des conditions d'utilisation sévères, une synergie entre la déformation plastique et les réactions de corrosion se produit et entraîne une fissuration intergranulaire, par corrosion sous contrainte (CSC), voire par fragilisation par l'hydrogène (FPH). La ductilité passe de 50% à quelques %, montrant une fissuration fragile. La compréhension des mécanismes qui régissent ce type de fissuration nécessite la détermination de l'importance respective des principaux facteurs (notamment mécaniques et chimiques). Cette étude se concentre sur le rôle de la plasticité cristalline dans le cas de la fragilisation par l'hydrogène. Pour ce faire, des éprouvettes préalablement fragilisées en surface par l'hydrogène (via un chargement cathodique) ont été sollicitées en traction. Ces essais ont été menés in situ dans le microscope électronique à balayage. Les résultats de corrélation d'image ont montré que les fissures s'amorcent dans des régions faiblement déformées adjacentes à des régions fortement déformées, là où les contraintes intergranulaires les plus élevées sont attendues. Par ailleurs, la cartographie des orientations cristallines des surfaces observées au cours des essais a servi de base à un maillage réaliste de la structure, qui a permis de calculer les champs de contraintes et de déformation locaux à l'aide d'un modèle de plasticité cristalline. Le modèle a été validé par la confrontation des prédictions à la mesure des champs de déformation et aux courbes de chargement macroscopique. Les contraintes ainsi estimées par simulation numérique ont permit d'établir un critère de rupture. Ce critère de rupture a ensuite été incorporé dans la simulation de microstructure quasi-2D grâce à un modèle de zone cohésive. Les résultats obtenus en accord avec les observations ont mis en avant la nécessité de développer une méthodologie permettant de prendre en compte les effets de la microstructure situés sous les surfaces étudiées. Ces microstructures ont été caractérisées à l'aide de plusieurs techniques d'analyse 3D de la morphologie microstructurale des agrégats polycristallins (EBSD par couches successives et par microtomographie rayons X des joints de grains à l'aide de diffusion de gallium). Les résultats des simulations avec les microstructures réelles en 3D dans le domaine élastique sont cohérant avec ceux obtenus en 2D pour des agrégats composés de 40 grains.