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Theses Year : 2016

Influence of microstructural heterogeneities on the multiaxial HCF behaviour fo cast aluminum alloys

Etude de l’influence des hétérogénéités microstructurales sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles des alliages d’aluminium de fonderie

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Abstract

This work treats the influence of the microstructural heterogeneities on the multiaxial high cycle fatigue (HCF) strength of cast aluminium alloys used in an automobile context. The characteristic microstructural heterogeneities present in this family of materials are the aluminium matrix (often characterised by the SDAS and/or the DAS and the precipitation hardening level), inclusions (silicon particles and intermetallics) and casting defects (oxide films and casting porosity).In order to clearly decouple these effects, three cast Al-Si alloys, obtained thank to different casting processes (gravity die casting and lost foam die casting) and associated with several heat treatments (T7 and Hot isostatic pressing-HIP), have been investigated. The HIP treatment is used in order to obtain a porosity free alloy. A vast experimental HCF campaign, including four loading modes (uniaxial (R=-1), torsion (R=-1), combined tension-torsion (R=-1) and equibiaxial tension (R=0.1)) has been undertaken. The following effects on the HCF behaviour have been characterised for the porosity free alloy as well as porosity containing alloys: (a) the effect of the multiaxiality (for the loading modes at R=-1), (b) the effect of the mean stress and (c) the effect of the biaxality (for equibiaxial tensile loads at R=0.1). The fatigue damage mechanisms have been studied in order to highlight the roles of the casting pores, the aluminium matrix and the inclusions on the fatigue damage mechanisms.Two analytical fatigue models are proposed. The first one concerns the effect of the loaded volume on the uniaxial fatigue strength of the porosity containing alloys using an approach to predict of the maximum pore size in a given volume. The second model, based on a probabilistic approach, takes into account the competition between the different observed damage mechanisms and leads to a Kitagawa-Takahashi type diagrams for different loading modes. It is shown that these analytical models result in good predictions for the three materials investigated and the four loading modes.A numerical study, presented in the last section, is related to the 3D finite element analysis of real pores. Real pore geometries are obtained thank to micro-tomography observations. The principal aim of this study is to evaluate the possibility of predicting the fatigue strength at the macroscopic scale thanks to the local mechanical behaviour around critical pores.
Ces travaux de thèse concernent l’effet des hétérogénéités microstructurales sur la tenue en fatigue multiaxiale à grand nombre de cycles (FGNC) d’alliages d’Al-Si de fonderie utilisés dans un contexte automobile. Les hétérogénéités microstructurales caractéristiques de cette famille de matériau sont la matrice d’aluminium (souvent caractérisée à l’aide la DAS et/ou la SDAS et du niveau de durcissement par précipitation), les inclusions (particules de silicium, intermétalliques) et les défauts de fonderie (films d’oxyde et surtout porosités).Afin de découpler clairement ces effets, trois nuances d’alliages d’aluminium de fonderie obtenues à l’aide de différents procédés (coulée en coquille, coulée par procédé à moule perdu) et associées à plusieurs traitements thermiques (T7, Compression isostatique à chaud (CIC)) ont été étudiées. Le traitement CIC a en particulier été employé afin d’obtenir une microstructure exempte de pore. Une vaste campagne d’essais en FGNC a été conduite pour quatre modes de chargement : uniaxial (R=-1), torsion (R=-1), traction-torsion combinées (R=-1) et traction équibiaxiale (R=0.1). Les effets sur le comportement en FGNC ont été identifiés pour les matériaux avec et sans pores : effet de la multiaxialité pour les chargements à R=-1, effet de la contrainte moyenne et effet de la biaxialité en traction biaxiale à R=0.1. Une attention particulière a été portée à la caractérisation des mécanismes d’endommagement dans l’objectif de mettre en évidence le role des pores, de la matrice d’aluminium, des inclusions dans les mécanismes d’endommagement, et ceci pour les différentes modes de chargement.Deux approches analytiques ont ensuite été proposées. La première concerne la modélisation de l’effet de volume sollicité sur la tenue en fatigue sous chargement uniaxial en présence de pore en se basant sur une approche de prédiction de la taille maximale de pore dans un volume donné. La seconde, basée sur une approche probabiliste, est dédiée à la simulation du diagramme de Kitagawa-Takahashi pour différents modes de chargement. Ces deux approches conduisent à des résultats en accord avec l’expérience, ceci pour les différents matériaux et conditions étudiées.La dernière partie propose une analyse 3D par éléments finis de l’effet des pores sur la résistance en fatigue. L’analyse repose sur l’utilisation de la géométrie réelle des pores, obtenue à l’aide d’observations en micro-tomographie RX 3D. Ce travail a pour but d’évaluer la possibilité de prédire la limite de fatigue à l’échelle macrosopique à partir de la réponse mécanique "locale" au voisinage des pores critiques.
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  • HAL Id : tel-01345228 , version 1

Cite

Viet Duc Le. Etude de l’influence des hétérogénéités microstructurales sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles des alliages d’aluminium de fonderie. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2016. Français. ⟨NNT : 2016ENAM0012⟩. ⟨tel-01345228⟩
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