Etude de l’effet des hétérogénéités microstructurales sur la dispersion de la tenue en fatigue à grand nombre de cycles d’alliages d’aluminium de fonderie : passage de l’élément de volume à la structure - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Study of the effect of microstructural heterogeneities on the dispersion of high cycles fatigue strength of cast aluminum alloys : from the volume element to the structure : from the volume element to the structure

Etude de l’effet des hétérogénéités microstructurales sur la dispersion de la tenue en fatigue à grand nombre de cycles d’alliages d’aluminium de fonderie : passage de l’élément de volume à la structure

Résumé

This Phd thesis deals with the fatigue strength of cast Al-Si alloys used in the automotive industry. The impact of microstructural heterogeneities on the fatigue resistance scatter is investigated as well as the size and stress gradient effects. They are factors to be considered when transposing the results obtained on standard size test specimens to real structures. The characteristic microstructural heterogeneities for this family of materials include the aluminum matrix, casting defects (oxide films and porosity), silicon particles and intermetallic particles. A thorough experimental study shows that pores and oxides are the major sources of crack initiation and fatigue failure. It is observed that these alloys exhibit a large dispersion of the fatigue response together with a clear dependence upon the size of the loaded volume and the stress gradient. These features are proved to be strongly linked to the population of defects. The few studies from the literature regarding these phenomena in these alloys do not highlight the key role played by the characteristics of the defect population. Here, a vast experimental study with more than 220 specimens is carried out using two cast aluminium alloys, fabricated by different casting processes; alloy A (AS7U0.5G0.3 K T7) obtained by die casting process and alloy B (AS7G0.3 LFC T7) obtained by Lost-Foam casting process. The main difference between these alloys is the defect size distribution and the pore density. Uniaxial high cycle fatigue tests are carried out with a R-ratio of 0.1. Two types of specimens are tested: smooth specimens used to characterize the size effect and notched specimens used to characterize the stress gradient effect. The size and stress gradient effects are examined conjointly using the Highly Stressed Volume method.A probabilistic approach using the Monte-Carlo theory is proposed and is based on the following steps; (i) numerical generation of defects using the Poisson law, (ii) statistics of extreme values used to predict the critical defect distribution and finally (iii) the Kitagawa-Takahashi diagram used to obtain the fatigue resistance distributions. This approach leads to results that are in very good agreement with the experimental results and correctly predicts the fatigue strength distributions for both alloys, for different specimen sizes and for both smooth and notched specimens.An additional study is finally carried out to assess the effect of Copper in the studied alloys and the short crack growth features. It is concluded that the Copper content has a negligible effect on the fatigue behavior for uniaxial tensile fatigue when casting defects are present. The short crack behavior is in agreement with previous works from the literature.
Ces travaux de thèse portent sur la tenue en fatigue d’alliages Al-Si de fonderie pour des applications dans l’automobile. Ils concernent plus précisément (i) l’effet des hétérogénéités microstructurales sur la dispersion en tenue en FGNC et (ii) leurs rôles sur les effets d’échelle et de gradient de contrainte. Les hétérogénéités microstructurales caractéristiques de cette famille de matériau sont la matrice d’aluminium, les inclusions (particules de silicium, intermétalliques) et les défauts de fonderie (films d’oxyde et porosités). L’expérience montre que les pores et les oxydes sont des facteurs du premier ordre. Ils sont également responsables des effets d’échelle, de gradient de contrainte et de la grande dispersion observée. Afin de comprendre le rôle des caractéristiques de la population de défauts (densité et distribution en taille des pores), sur l’intensité de ces phénomènes, une vaste étude expérimentale avec plus de 220 éprouvettes est menée en utilisant deux alliages d’aluminium de fonderie issus de procédés de fonderie distincts (alliage A (AS7U0,5G0,3 K T7) et alliage B (AS7G0,3 PMP T7)). La principale différence entre ces deux concerne les caractéristiques de la population de défauts. Les essais de FGNC à R=0.1 sont conduits avec un seul mode de chargement. Il s’agit d’un chargement uni-axial en traction avec deux types d’éprouvettes. Des éprouvettes lisses pour la caractérisation des effets d’échelle et des éprouvettes entaillées pour la caractérisation des effets de gradient. La méthode de volume le plus contraint est utilisée dans l’analyse conjointe des deux effets.Une démarche de modélisation probabiliste pour la prédiction de la tenue en fatigue basée sur la théorie de Monte-Carlo est ensuite développée. Elle repose sur (i) la génération numérique des défauts en utilisant la loi de Poisson, (ii) l’utilisation des statistiques des extrêmes pour extraire les défauts critiques et (iii) l’utilisation du diagramme de Kitagawa-Takahashi pour générer les distributions en résistance. Cette approche conduit à des résultats en accord avec l’expérience et permet la prédiction de la limite d’endurance avec une erreur inférieure à 5% pour les différents lots.Enfin, une étude complémentaire est menée afin d’évaluer l’effet de la différence de teneur en Cu sur le comportement en fatigue. Il est prouvé que le Cu a un effet négligeable sur la tenue en fatigue dans ce cas d’étude. La même étude a permis d’analyser l’effet de microstructure sur le comportement des fissures courtes. Les résultats sont en accord avec d’autres travaux de la littérature.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03360114 , version 1 (30-09-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03360114 , version 1

Citer

Driss El Khoukhi. Etude de l’effet des hétérogénéités microstructurales sur la dispersion de la tenue en fatigue à grand nombre de cycles d’alliages d’aluminium de fonderie : passage de l’élément de volume à la structure. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. HESAM Université, 2020. Français. ⟨NNT : 2020HESAE037⟩. ⟨tel-03360114⟩
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