Etude de l’influence de la microstructure sur les mécanismes d’endommagement dans des alliages Al-Si de fonderie par des analyses in-situ 2D et 3D

Influence of the casting microstructure on damage mechanisms in Al-Si alloys by using 2D and 3D in-situ analysis

• Auteur / Autrice : Long Wang
• Direction : Éric Charkaluk, Ahmed El Bartali, Nathalie Limodin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 23/01/2015
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Buffière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karl-Heinz Lang, Yves Nadot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Rupture

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Alliages -- Fatigue

Éléments finis, Méthode des

Tomographie

Alliages aluminium-silicium

Mots clés libres

Alliage Al-Si

Tomographie aux rayons X

Corrélation d’images 2D/3D numériques

Fatigue oligocyclique

Mécanismes d'endommagement

Al-Si alloy

X-ray tomography

Digital Image/Volume Correlation

Low Cycle Fatigue

Damage mechanisms

Résumé

Un protocole expérimental a été développé dans cette thèse pour étudier l'influence de la microstructure héritée du procédé de fonderie dit Procédé à Modèle Perdu sur le comportement en fatigue oligocyclique des alliages Al-Si à température ambiante. Dans un premier temps, la microstructure des alliages étudiés a été caractérisée à la fois en 2D et en 3D. Les éprouvettes les plus appropriées et les plus représentatives et les régions d’intérêt où le suivi in-situ est réalisé (ROIs) ont été sélectionnées par une caractérisation préliminaire en tomographie aux rayons X. Cette caractérisation 3D est également nécessaire pour comprendre les mécanismes d’endommagement après rupture de l’éprouvette. Les observations in-situ réalisées en surface en utilisant un microscope longue distance (Questar) et en volume avec la tomographie aux rayons X permettent de suivre l’amorçage et la propagation des fissures et ainsi d'identifier la relation entre les mécanismes d’endommagement et les microstructures moulées. Les champs de déplacement et de déformation en 2D/3D mesurés à l'aide de la Corrélation d'Images Numériques et la Corrélation d’Images Volumiques permettent d'analyser la relation entre les champs mesurés et les mécanismes d'endommagement. L'analyse post-mortem et la simulation éléments finis ont permis de compléter l’analyse des mécanismes d’endommagement. Les grands pores favorisent l'amorçage de fissures car ils augmentent fortement le niveau de contrainte locale. Les inclusions dures (phase Si, intermétalliques au fer et phases au cuivre) jouent un rôle important dans l’amorçage et la propagation des fissures en raison des localisations de déformation sur ces inclusions

An experimental protocol was developed in this thesis in order to study the influence of casting microstructure on the fatigue behavior in Lost Foam Casting Al-Si alloys in tension and in Low Cycle Fatigue at room temperature. First of all, the microstructures of studied alloys were thoroughly characterized both in 2D and in 3D. The most suitable and representative specimens and Region of Interest (ROIs) where the in-situ monitoring was performed were selected through a preliminary characterization using X-ray tomography, which is also necessary to understand damage mechanisms after failure. In-situ observations performed on surface using Questar long distance microscope and in volume using X-ray tomography allow following cracks initiations and their propagations and thus allow identifying the relation between damage mechanisms and casting microstructure. 2D/3D displacement and strain fields measured using Digital Image Correlation and Digital Volume Correlation allows analyzing the relation between measured fields and damage mechanisms. Postmortem analysis and FEM simulation gave more information for the damage mechanisms. Large pores favor crack initiation as they strongly increase local stress level. Hard inclusions (Si phase, iron intermetallics and copper containing phases) also play an important role in crack initiation and propagation due to strain localizations at these inclusions