Caractérisation et modélisation de la corrosion sous contrainte des alliages d'aluminium pour l'aéronautique

par Jordan Santangelo

Projet de thèse en Mécanique

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec I2M Institut de Mécanique et d'Ingénierie (laboratoire) et de DuMAS : Durabilité des Matériaux, Assemblages et Structures (equipe de recherche) depuis le 21-11-2018 .


  • Résumé

    Les alliages d'aluminium, considérablement utilisés dans les structures aéronautiques et aérospatiales, sont particulièrement sensibles à différents types de corrosion localisée ainsi qu'à la corrosion sous contrainte (CSC). En résulte alors de l'association entre l'environnement corrosif et de la contrainte appliquée un risque accru d'amorçage et de propagation de fissures généralement intergranulaires. Les conditions d'amorçage et de propagation des fissures sont étroitement liées aux contraintes locales, qui découlent elles-mêmes de la microstructure, elle-même dépendant étroitement des traitements thermiques et de la vie de la structure. Ce projet a pour ambition d'appréhender et de modéliser cet ensemble complexe liant la microstructure, les champs mécaniques locaux ainsi que les conditions d'amorçage et de propagation de fissures de CSC. Pour cette raison, l'étude sera subdivsée en plusieurs étapes. Une première partie expérimentale permettra de générer, à partir de matériaux modèles tels que des alliages d'aluminium 2024 traités thermiquement, une microstructure modèle, simplifiée en vue de décomposer les effets microstructuraux : précipitation et texture cristallographique. D'un côté, des mesures électrochimiques locales serviront à évaluer les hétérogénéités de réactivité de ces alliages en relation avec leur microstructure tandis que des essais de corrosion sous contrainte, de type traction lente, permettront d'étudier expérimentalement les conditions d'amorçage et les vitesses de propagation des fissures de CSC qu'il conviendra de modéliser dans un second temps. Cette partie expérimentale guidera les différentes étapes de modélisation dans l'objectif de renseigner autant de paramètres influant le comportement de fissuration sous le couplage mécanique/corrosion. Un modèle multiphysique COMSOL se penchera tout d'abord sur la corrosion galvanique assistée par la mécanique, prenant en compte l'étude expérimentale des champs mécaniques locaux influant sur les réactions électrochimiques. L'étape suivante consistera à modéliser la propagation des fissures de CSC afin de prédire le chemin de fissuration observé expérimentalement en complément des lois de propagations de fissures de CSC implémentées aux joints de grain. Les cartographies EBSD serviront à reconstruire au plus juste dans la modélisation la microstructure en surface de chaque éprouvette d'aluminium polycristalline avant les essais CSC. Ces données expérimentales permettront également de connaître les orientations cristallographiques de chaque grain offrant ainsi la possibilité d'utiliser des lois de comportement de plasticité cristalline. Ce projet fait suite à un modèle ayant déjà fait le sujet d'étude de l'équipe mécanique, corrosion, hydrogène du département DuMAS de l'I2M.

  • Titre traduit

    Characterisation and modelling of aluminium alloy stress corrosion for aeronautical applications


  • Résumé

    Aluminium alloys, being considerably used either in aeronautical or aerospace structures, are particularly sensitive to localised corrosions as well as to stress corrosion cracking (SCC). The combination of corrosive environment with the localised stress increases significantly the crack initiation and propagation mostly creating intergranular corrosion (IGC). Crack initiation and propagation conditions are closely related to localised stress, which result from microstructure, being linked itself to thermal treatments and structure history. The purpose of this project is to comprehend and to model this system complexity, linking microstructure to localised mechanical fields as well as to crack initiation and propagation conditions of SCC. In this way, the study will be divided into several parts. First, an experimental part will generate a model microstructure, simplified, based on basic materials such as thermally treated 2024 aluminium alloys, with the aim of breaking down the microstructural effects: precipitation and crystal structure. On one hand, localised electrochemical measurements will help evaluate heterogeneities of alloys reactions related to their microstructure while on the other hand, SCC experiments such as slow strain rate tensile testing will allow to lead experimental studies on crack initiation conditions and crack propagation rates of SCC, which will be numerically modelled in a second time. The experimental part will guide the modelling steps in order to define as many influencing parameters of the cracking behaviour as possible under the corrosive/mechanical coupling effect. A COMSOL multiphysics model will examine firstly the galvanic corrosion associated with mechanics, taking into account the experimental study of the localised mechanical fields acting on the electrochemical reactions. The next step will consist of modelling the crack propagation of SCC with the objective of predicting the cracking path experimentally observed in addition to SCC cracking propagation laws located at grain boundaries. EBSD technic will be used for rebuilding the superficial microstructure in the numerical model as close as possible to the aluminium test specimen microstructure before SCC tests. These experimental data will help in knowing crystallographic orientations of every grain and letting the possibility to apply crystalline plasticity behaviour laws either. This project follows on from a model developed by the mechanics, corrosion, hydrogen team of the DuMas department of the I2M (Institute of Mechanics and Engineering) in Bordeaux.