Effet de la microstructure sur le comportement en fatigue de structures poreuses optimisées obtenues par fabrication additive

par Khalil Refai

Projet de thèse en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Nicolas Saintier et de Charles Brugger.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de DuMAS : Durabilité des Matériaux, Assemblages et Structures (equipe de recherche) depuis le 03-10-2016 .


  • Résumé

    La fusion laser de poudres métalliques est un procédé de fabrication additive de plus en plus utilisé dans l'industrie aéronautique. Par rapport aux procédés de fabrication classiques, il autorise une très grande liberté dans le dessin des pièces. Les géométries complexes qui en découlent, ainsi que les échelles des structures fabriquées (épaisseurs de parois de l'ordre de la longueur caractéristique de la microstructure) posent de nombreuses difficultés en terme de dimensionnement en fatigue. L'optimisation de ces structures implique de développement de critères adaptés et de méthodes d'optimisation topologique les intégrant pleinement. Le couplage de ces deux aspects constitue la problématique du sujet de thèse proposé. La durée de vie des matériaux et des structures métalliques sous chargement de fatigue dépend très fortement de leur comportement plastique aux petites échelles. Parmi les nombreux paramètres qui pilotent les processus d'amorçage de fissure, l'orientation et la taille des grains et les joints de grains (types, densité) constituent des éléments microstructuraux qui jouent un rôle majeur dans le développement de la micro-plasticité aux petites échelles. Ces effets sont d'autant plus importants que les dimensions caractéristiques des structures étudiées sont de l'ordre de celle des grains des matériaux constitutifs et/ou que les microstructures sont hétérogènes. Ces deux caractéristiques sont présentes dans le cas de pièces réalisées par fabrication additive. D'une part, l'allègement des structures passe par la réalisation de pièces fortement évidées et comportant des parois très fines par rapport à la taille de grain où les effets de surface/volume peuvent entrer en compétition. D'autre part, la microstructure des pièces obtenues par ce procédé est fortement anisotrope et marquée par l'existence de longueurs internes associées à l'histoire thermique de la matière (taille du spot laser et de la zone fondue, largeur de recouvrement, etc…). L'objectif de cette thèse est de déterminer un critère d'initiation de l'endommagement sous un chargement de fatigue qui prenne en compte les effets de taille associés au procédé de fabrication additive, et d'utiliser ce critère dans une démarche d'optimisation topologique. La thèse comportera un volet expérimental sur l'étude des effets de taille sur la durée de vie en fatigue de pièces à rapport épaisseur/taille de grain variable réalisées par fabrication additive. Les mécanismes d'amorçage de fissure seront analysés en utilisant les moyens de microscopie disponibles au laboratoire (MEB-FEG, EBSD, AFM) ainsi que la tomographie X (développement 3D de l'endommagement). Les modèles de plasticité polycristalline, qui prennent en compte l'orientation des grains, ont permis de faire de considérables progrès dans la modélisation du comportement élasto-plastique des métaux. Ces modèles permettent de quantifier les champs de contrainte et de déformation, en particulier la micro-plasticité, à l'échelle du grain. Les travaux en cours au laboratoire ont permis de mettre en place des méthodologies, basées sur le calcul de microstructure, qui prennent en compte certains paramètres microstructuraux (anisotropie élastique, texture, morphologie des grains) dans les modèles de prévision de durée de vie. Le volet numérique de la thèse consistera à adapter un modèle de prévision de durée de vie à l'échelle de la microstructure actuellement développé au laboratoire (i) introduisant la sensibilité de la probabilité d'amorçage intra-granulaire au volume actif du grain, (ii) en introduisant une longueur interne permettant de modéliser les effets de surface. Enfin, le critère obtenu sera intégré dans une démarche d'optimisation multi-échelle visant à optimiser simultanément la forme et la distribution des propriétés matériaux des pièces obtenues par fabrication additive en prenant en compte des contraintes de nature différente : technologiques, mécaniques, etc

  • Titre traduit

    Microstructure effect on the fatigue behavior of optimized porous structures obtained by additive manufacturing


  • Résumé

    Selective Laser Melting in increasingly used in aeronautic industry. Compared to traditional manufacturing processes, it allows for great design possibilities, so that the additional cost is counterbalanced by the ability to topologically optimize each piece following one or several criteria. In this study, we will focus on damage initiation under fatigue loading. Fatigue life of metallic materials and structures is governed by their small scale plastic behaviour. Among several parameters ruling the crack initiation process, grains sizes and orientations and grain boundaries (typology and density) play a major role in the local plastic hardening. Furthermore, the effect of these microstructural elements becomes even more significant when the dimensions of the considered structures are comparable to the grain size and/or when the microstructure is heterogeneous. These two characteristics are present in SLM manufactured pieces. First, weight reduction is achieved by hollowing structures and thinning walls. When thickness is close to the grain size, there is a competition between surface and volume effects. Second, associated microstructure is strongly anisotropic and presents internal lengths due to thermal history (laser spot and melted zone sizes, …) The aim of this work is to determine a fatigue damage initiation criterion reproducing the size effects induced by the additive manufacturing process, and to implement this criterion in a topological optimization approach. This work will include an experimental part. Size effects on fatigue life will be investigated on SLM manufactured structures with different thickness to grain size ratios. Crack initiation mechanisms will be analyzed using available microscopy facilities (SEM, EBSD, AFM) and X-ray tomography (3D damage spreading). Polycrystalline plasticity models, which take into account grains orientations, allowed a huge progress in modelling metallic materials elasto-plastic behaviour. Such models allow quantifying the stress and strain fields, and especially the micro-plasticity, at the grain scale. Methodologies based on microstructure calculations are already developed in our laboratory for taking into account some microstructural parameters (elastic anisotropy, texture, grains morphology) in fatigue life prediction models. The numerical part of the work will involve enhancing a grain scale life prediction model currently under development in the laboratory (i) by introducing the sensitivity of the intra-granular crack initiation probability to the grain active volume, (ii) by introducing an internal length in order to model the surface effects. Finally, the obtained criterion will be integrated in a multiscale optimization method. The aim is to simultaneously optimize shape and material properties distribution in SLM manufactured structures in presence of various constraints (mechanical, technological, etc …)