Modèle d'endommagement de fatigue en lien avec la microstructure dans un alliage d'aluminium - Matériaux (MAT)
Thèse Année : 2024

Link between the microstructure and the durability of polycrystalline materials at high temperature : numerical study of intergranular damage

Modèle d'endommagement de fatigue en lien avec la microstructure dans un alliage d'aluminium

Manon Lenglet
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1408231
  • IdRef : 279833466

Résumé

In the aeronautical field, a major challenge lies in optimizing the sizing of components, taking into account their fatigue life. Fatigue phenomena in metallic structures, such as those in the aluminum 2139 fuselage, depend on microstructure. However, understanding and modeling these phenomena at such a fine scale are expenseive. So far, fatigue damage, defined by the initiation and propagation of fatigue cracks, is only considered at the macroscopic scale: this underestimates the life of components, leading to oversizing and expensive testings.On one hand, experimentally, the mechanical behavior of 2139 under monotonic loading at the microscopic scale and cyclic loading at the macroscopic scale is well understood. However, the behavior of this alloy under both cyclic loading and at the microscopic scale is not documented. On the other hand, numerous numerical methods have been developed to predict the initiation of fatigue cracks. Fatigue Indicator Parameters (FIPs) offer an economical and easy-to-implement approach, but there is no consensus on the most relevant FIP. Moreover, although methods exist to model crack propagation in polycrystals, there is no single method using FIPs to model both crack initiation and propagation.Thus, this thesis aims to develop a method to model the initiation and propagation of fatigue cracks at the microstructure scale. To apply this method to the case of 2139, various tools have been used, including finite element simulations with Z-set. The structural zoom has been used to model intermetallic phases, sites of crack initiation, and the adaptive remeshing module Z-cracks has been employed to model crack initiation and propagation in the alloy. An experimental campaign has also characterized the cyclic behavior of the alloy for simulations, and with optical and electron microscopy, it has been possible to track crack initiation and propagation on the surface at the scale of a few microns.
Dans le domaine aéronautique, un défi majeur réside dans l'optimisation du dimensionnement des pièces en tenant compte de leur durée de vie en fatigue. Les phénomènes de fatigue dans les structures métalliques, comme celles du fuselage en aluminium 2139, dépendent de la microstructure. Cependant, comprendre et modéliser ces phénomènes à une échelle aussi fine est coûteux. Jusqu'à présent, l'endommagement des pièces, défini par l'amorçage et la propagation de fissures de fatigue, est pris en compte seulement à l'échelle macroscopique : cela sous-estime la durée de vie des pièces, entraînant un surdimensionnement et des essais coûteux.D'une part, sur le plan expérimental, le comportement mécanique du 2139 sous chargement monotone à l'échelle microscopique et sous chargement cyclique à l'échelle macroscopique est bien compris. Cependant, le comportement de cet alliage sous chargement cyclique et à l'échelle microscopique n'est pas documenté. D'autre part, de nombreuses méthodes numériques ont été développées pour prédire l'amorçage de fissures de fatigue. Les Fatigue Indicator Parameters (FIPs) offrent une approche économique et facile à implémenter, mais il n'y a pas de consensus sur le FIP le plus pertinent. De plus, bien que des méthodes existent pour modéliser la propagation de fissures dans les polycristaux, il n'y a pas de méthode unique utilisant les FIPs pour modéliser à la fois l'amorçage et la propagation de fissures.Ainsi, cette thèse vise à développer une méthode pour modéliser l'amorçage et la propagation de fissures de fatigue à l'échelle de la microstructure. Pour appliquer cette méthode au cas du 2139, divers outils ont été utilisés, notamment des simulations par éléments finis avec Z-set. Le zoom structural a permis de modéliser les phases intermétalliques, sites d'amorçage des fissures de fatigue, et le module de remaillage adaptatif Z-cracks a été employé pour modéliser l'amorçage et la propagation de fissures dans l'alliage. Une campagne expérimentale a également permis de caractériser le comportement cyclique de l'alliage pour les simulations, et grâce à la microscopie optique et électronique il a été possible de suivre l'amorçage et la propagation de fissures en surface à l'échelle de quelques microns.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04673328 , version 1 (20-08-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04673328 , version 1

Citer

Manon Lenglet. Modèle d'endommagement de fatigue en lien avec la microstructure dans un alliage d'aluminium. Matériaux. Université Paris sciences et lettres, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UPSLM007⟩. ⟨tel-04673328⟩
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