Comportement en fatigue de pièces de Ti-6Al-4V obtenues par SLM et EBM : effet de la rugosité

par Bastien Vayssette

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Nicolas Saintier, Mohamed El May et de Charles Brugger.

Soutenue le 02-12-2019

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec DuMAS : Durabilité des Matériaux, Assemblages et Structures (équipe de recherche) et de Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) .


  • Résumé

    Les pièces de Ti-6Al-4V obtenues par SLM et EBM, souvent post-traitées par détensionnementet CIC, conservent un état de surface très rugueux qui réduit leur résistance en fatigue.L’utilisation de telles pièces pour des applications structurelles nécessite donc de comprendre et dequantifier l’effet de la rugosité sur les mécanismes d’amorçage de fissures en fatigue. Cette étude présenteune méthodologie à la fois expérimentale et numérique pour la prise en compte de l’effet de larugosité sur la résistance en fatigue à grand nombre de cycles des pièces obtenues par fabrication additive.La microstructure lamellaire d’éprouvettes SLMet EBMtraitées par détensionnement et CIC aété caractérisée grâce à des observations au microscope optique et par EBSD. Les surfaces brutes defabrication présentent une rugosité spécifique que la confrontation de différentes méthodes de mesurede rugosité (observations de coupes 2D et profilométrie) a permis de la caractériser. Le rôle decet état de surface sur la résistance en fatigue a été identifié par des essais de fatigue uniaxiaux et multiaxiauxsur surface brute, usinée ou polie chimiquement. L’analyse systématique au MEB des faciès de rupture, pour chacun des lots, a permis d’identifier les défauts de surface à l’origine de l’amorçage.Des essais de fatigue complémentaires conduits sur éprouvettes SLM surface brute, couplés à des observations MEBet des mesures de désorientations intra-grains (KAM) en fond d’entaille, ont révélé laprésence de fissures microscopiques et de zones plastiques confinées. La dernière partie de ce travailpropose une approche numérique, fondée sur des calculs E.F., visant à quantifier l’effet de la surfacesur la résistance en fatigue. Les maillages ont été construits à partir de l’acquisition de la surface(coupes 2D ; profilométrie ; tomographie) et les calculs ont été conduits en élasticité et élastoplasticité.La criticité du champ de contrainte en fatigue a été évaluée au travers d’un paramètre intégrantles forts gradients de contrainte proche de la surface grâce à une prise de moyenne volumique et lesnombreux sites potentiels d’amorçage par une statistique de valeurs extrêmes.

  • Titre traduit

    Fatigue behavior of Ti-6Al-4V parts obtained by SLM and EBM : Effect of the surface roughness


  • Résumé

    Ti-6Al-4V parts obtained by SLMand EBM, often post-treated by stress relieving andHIP, have a very rough surface finish that reduces their fatigue strength. The use of such parts forstructural applications therefore requires to understand and to quantify the effect of roughness onfatigue crack initiation mechanisms. This study presents both an experimental and numerical methodologyfor taking into account the effect of roughness on high cycle fatigue strength of parts obtainedby additive manufacturing. The lamellar microstructure of SLMandEBMspecimens treated bystress relief and HIP was characterized by optical microscope and EBSD observations. The "as-built"surfaces have a specific roughness. The comparison of different methods of roughness measurement(2D cross-section observations and profilometry) made it possible to characterize it. The role of thissurface state on fatigue strength was determined by uniaxial andmultiaxial fatigue tests on either "asbuilt",machined or chemically polished surfaces. Systematic SEManalysis of the fracture surfaces foreach batch has made it possible to identify the surface defects that caused the initiation. Additionalfatigue tests conducted on SLM "as-built" surface specimens, coupled with SEM observations andintra-grain misorientation (KAM) measurements at the notch tip, revealed the presence of microscopiccracks and confined plastic areas. The last part of this work proposes a numerical approach,based on F.E. calculations, to quantify the effect of the surface on fatigue strength. The meshes wereconstructed from the acquisition of the surface (2D cross-sections; profilometry; tomography) andthe calculations were carried out in elasticity and elastoplasticity. The criticality of the stress field regardingfatigue was evaluated through a parameter integrating the high near-surface stress gradientsthrough volume averaging and the many potential initiation sites through extreme value statistics.


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