Investigation of the initiation and propagation of short internal fatigue cracks in gigacycle fatigue regime in a cast aluminum alloy
Étude de l'amorçage et de la propagation de fissures de fatigue internes courtes en régime gigacyclique dans un alliage d'aluminium de fonderie
Résumé
Casting allows the mass production of parts with complex geometry at a low cost. However, defectsinherent to the manufacturing process (pores, shrinkages, etc.) are natural stress concentrators and act as amajor cause of fatigue crack initiation. The defect position from the part surface influences its harmfulnessand the fatigue strength of the component. Initiation and propagation mechanisms of internal fatiguecracks are currently less studied than those emanating from surface defects. The purpose of this work is tocharacterize short internal fatigue crack initiation and propagation mechanisms and kinetics in the A357-T6 cast aluminium alloy. An experimental testing device allowing the observation of internal fatigue crackinitiation and propagation by in-situ synchrotron tomography and infrared thermography was developed.The propagation kinetics of internal cracks were quantif ied through tomographic data processing. Stressintensity factor ranges were calculated by f inite element analysis along the crack fronts assuminghomogeneous material. In addition, the microstructure of the specimens was characterized by diffractioncontrast tomography (DCT) which allowed polycrystalline aggregates simulation in order to betterunderstand the interactions between cracks and microstructure. Finally, thanks to f inite elementthermomechanical simulations, the surface temperature increases of the specimens, measured by infraredthermography, were correlated to the 3D evolution of the crack fronts observed by tomography.
Le procédé de fonderie permet de produire en grande série des pièces à géométrie complexe à faible coût. Cependant, les défauts inhérents à ce procédé de fabrication (soufflures, retassures, etc.) sont des sites privilégiés d’amorçage de fissures de fatigue. La position d'un défaut par rapport à la surface de la pièce influe sur sa nocivité et sur la résistance en fatigue du composant. Les connaissances actuelles sur les mécanismes d'amorçage et de propagation de fissures de fatigue internes sont bien moins développées que celles sur les fissures amorcées à partir de défauts de surface. L’objectif de ce travail est donc de caractériser les mécanismes et cinétiques d’amorçage et de propagation de fissures de fatigue internes courtes dans l’alliage d'aluminium moulé A357-T6. Pour cela, un dispositif expérimental permettant d’observer l’amorçage et la propagation de fissures de fatigue internes par tomographie synchrotron in-situ et thermographie infrarouge a été développé. Les données de tomographie ont permis de quantifier les cinétiques de propagation de fissures internes. Les étendues des facteurs d’intensité des contraintes ont été calculées par éléments finis le long des fronts de fissure en supposant le matériau homogène. Par ailleurs, La microstructure des éprouvettes a été caractérisée par tomographie à contraste de diffraction (DCT) ce qui a permis de réaliser des calculs sur agrégats polycristallins afin de mieux comprendre les interactions entre fissures et microstructure. Enfin, grâce à des simulations thermomécaniques par éléments finis, les élévations de température en surface des éprouvettes, mesurées par thermographie infrarouge, ont pu être corrélées aux évolutions 3D des fronts de fissure observées par tomographie.
Origine : Version validée par le jury (STAR)