Analyse de la propagation de fissure pour les alliages d'aluminium 2050

par Abderrahman Guelzim

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Vincent Maurel.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) , MAT - Mécanique Expérimentale et Matériaux - MEM (equipe de recherche) et de MINES ParisTech (établissement opérateur d'inscription) depuis le 04-11-2019 .


  • Résumé

    L'industrie aéronautique fait face à une demande croissante en termes de limitation de son impact environnemental, ce qui l'incite à optimiser le rapport performance sur densité des matériaux de structure, tels que les alliages d'aluminium. Les derniers progrès ont mené à l'utilisation d'alliages Al-Cu-Li, comme l'alliage Airware 2050-T8 de Constellium, dans lequel l'ajout d'1% de lithium permet de réduire la densité tout en améliorant la résistance mécanique ainsi que la tolérance aux dommages, en comparaison avec les matériaux d'usage. La résistance à la propagation de fissure de fatigue est l'une des propriétés-clefs utilisée dans le dimensionnement des structures aéronautiques en aluminium. La prévision des durées de vie en fatigue implique de connaître les vitesses de propagation et chemins de fissure pour des conditions de chargements représentatives. Or, l'estimation de la vitesse de propagation de fissure est rendue particulièrement difficile lorsque les fissurent dévient. Cela entraine l'emploi de marges de sécurité supplémentaires lors du design. L'objectif de cette étude est d'établir un modèle de propagation des fissures de fatigue tenant compte de la déviation de fissure, afin de profiter au mieux des performances offertes par les alliages Al-Cu-Li de dernière génération. L'enjeu scientifique consiste en l'identification des paramètres influançant la déviation de fissure pour ainsi proposer un modèle robuste capable de prédire les vitesses de propagation et chemins de fissure de fatigue. L'approche expérimentale est basée sur une analyse approfondie des conditions de déviation sur des éprouvettes C(T), M(T) (ou CCT), DCB et ESE(T), afin d'investiguer différentes conditions de chargement, et notamment la contrainte T. Une attention particulière est portée sur la mesure des champs de déplacement en pointe de fissure par corrélation d'images numériques. L'analyse des faciès de rupture permet d'évaluer les mécanismes de rupture, tandis qu'une approche numérique basée sur des analyses par éléments finis est utilisée, avec des techniques de remaillage conforme pour introduire les fissures simplifiées ou de morphologie réalistes obtenues à partir des faciès.

  • Titre traduit

    Crack propagation analysis in Aluminium 2050 alloys


  • Résumé

    The aerospace industry faces increasing demand for limiting environmental impact, which pushes the need to improve the property to density ratio of structural material, such as aluminium alloys. Recent advances have led to the use of Al-Cu-Li alloys, such as Constellium's Airware alloy 2050-T8, for which the addition of 1% of lithium reduces the density while increasing both strength and damage tolerance properties compared to incumbent products. Resistance to fatigue crack propagation is one of the most important design properties for aluminum aircraft structures. Fatigue lifetime prediction implies to know crack paths and crack growth rates for representative loading conditions. Yet, crack growth rate estimation is made particularly difficult when the cracks deviate. This leads to the use of additional safety margins in the design. This study aims to establish a fatigue crack growth model taking into account crack deviation, in order to take full advantage of the improved properties of the last generation Al-Cu-Li alloys. The scientific challenge consists in identifying the relevant parameters influencing crack deviation and proposing a corresponding robust model able to predict fatigue crack path and growth rate. The experimental approach is based on a precise analysis of crack paths and growth rates on C(T), M(T) (or CCT), DCB and ESE(T) specimens, to investigate different loading conditions, including T-stress. A special attention is paid to local displacement measurement at the crack tip using digital image correlation techniques. Fracture surfaces are also analyzed, to assess the failure mechanisms, while a numerical approach based on finite element analysis (FEA) using conform remeshing technics introducing both simplified and realistic crack shapes is performed.