Etude et modélisation du comportement en fatigue de l'alliage d'Aluminium 2618 anodisé soumis à des chargements multiaxiaux

Study and modeling of fatigue behavior of anodized 2618 aluminum alloy subjected to multiaxial loadings

• Auteur / Autrice : Benaïssa Malek
• Direction : Catherine Mabru, Michel Chaussumier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 14/02/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Avions -- Conception et construction

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Fatigue

Aluminium

Anodisation

Multiaxial

Prévision

Fatigue

Aluminium

Anodizing

Multiaxial

Prediction

Résumé

Les alliages d’aluminium anodisés sont largement utilisés dans la construction aéronautique en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, leur résistance à la corrosion et leur faible densité. Cependant, le processus d’anodisation conduit souvent à une réduction de la résistance en fatigue. De plus, les pièces sont généralement soumises à des sollicitations multiaxiales en service et il apparaît donc nécessaire d’étudier, non seulement l’effet de l’anodisation, mais également de le corréler à la nature du chargement.L’objectif de la thèse est donc d’identifier et de caractériser les différents mécanismes impliqués dans l’effet de l’anodisation de l’alliage 2618-T851 sur sa tenue en fatigue et de déterminer l’impact de la nature du chargement. Dans un premier temps, des essais de fatigue uniaxiale en traction et torsion ont été effectués sur des éprouvettes à l’état brut présentant différentes rugosités de surface et sous différents rapports de contrainte. Il a été constaté que la rugosité de surface n’avait aucun effet quelle que soit la nature du chargement. En revanche, une contrainte moyenne normale ou de cisaillement non nulle réduit la durée de vie en fatigue. Les essais effectués sur les éprouvettes décapées, anodisées, imprégnées et finalement colmatées ont montré qu’en traction, l’abattement de la durée de vie est dû principalement à l’étape d’oxydation anodique. Par contre, en torsion, la tenue en fatigue de l’alliage n’est pas sensible au processus d’anodisation.Ensuite, le matériau a été étudié en fatigue multiaxiale, en traction-torsion sous différents rapports de contrainte et différents angles de déphasage à l’état usiné et anodisé. Nous avons constaté que l’anodisation a un effet néfaste comme dans le cas de la traction pure et que le matériau n’est pas sensible au déphasage quel que soit le rapport d’amplitude de contrainte. L’alliage a été étudié sous chargements multiaxiaux intégrant la pression interne pour analyser le comportement en fatigue de l’alliage sous ce type de chargement. L’analyse des faciès de rupture a montré qu’en général, nous retrouvons un amorçage de fissures à partir de particules intermétalliques Al9FeNi avec la présence d’un site unique pour l’alliage à l’état brut d’usinage et un amorçage à partir de la couche d’oxyde avec la présence de multi-sites dans le cas des éprouvettes anodisées.Concernant les prévisions de la durée de vie, nous avons utilisé différentes approches de type plan critique (Morel, Fatemi-Socie, Findley, Kluger et Macha) pour prédire les durées de vie sous différentes combinaisons de chargement. Finalement, un modèle inspiré du modèle de Kluger a été proposé.

Anodized aluminum alloys are widely used in aircraft construction because of their mechanical properties, corrosion resistance and low density. However, the anodizing process often leads to a reduction in fatigue strength. In addition, the parts are generally subjected to multiaxial fatigue loadings in service. Therefore, it is necessary to study, not only the effect of the anodization, but also to correlate it to the nature of the loading.The objective of the thesis is to identify and characterize the different mechanisms involved in the anodizing effect of the alloy 2618-T851 on the fatigue strength and to determine the impact of the nature of the loading. On the one hand, uniaxial tensile and torsional fatigue tests have been carried out on specimens in the bare state with different surface roughness levels and under different stress ratios. It was found that the surface roughness had no effect whatever the nature of the loading. On the other hand, a non-zero normal mean stress or mean shear stress reduces fatigue life.The tests carried out on pickled, anodized, impregnated and finally sealed specimens showed that, in tension, the reduction in fatigue life is mainly due to the anodic oxidation step. On the other hand, in torsion, the fatigue strength of the alloy is not sensitive to the anodizing process. Then, the material was studied in multiaxial fatigue, tensile-torsion under different stress ratios and different phase angles in the machined and anodized state. We have found that anodizing has a detrimental effect as in the case of pure tension and that the material is not sensitive to phase angle whatever the stress amplitude ratio. The alloy has been studied under multiaxial loadings integrating the internal pressure to analyze the fatigue behavior of the alloy under this type of loading. Surface fracture analysis has shown that, in general, cracks initiated from Al9FeNi intermetallic particles with the presence of a single site for the alloy in the bare state and from the oxide layer with the presence of multi-sites in the case of anodized specimens. For life-time predictions, we have used different critical-plane approaches (Morel, Fatemi-Socie, Findley, Kluger and Macha) to predict fatigue life under different loading combinations. Finally, a model inspired by the Kluger model has been proposed.