Modélisation de la propagation de fissure en fatigue à haute température dans les superalliages base Nickel par une approche locale de la rupture

High temperature fatigue crack growth modeling in Nickel-based superalloys using a local approach to fracture

• Auteur / Autrice : Olivier Voreux
• Direction : Serge Kruch, Sylvia Feld-Payet, Pascale Kanouté
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 31/05/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Matériaux et Structures (2017-....) - Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Matériaux et Structures (2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Lazarus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Kruch, Pierre-Olivier Bouchard, Bruno Michel, Jacques Besson, Arjen Roos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Olivier Bouchard, Bruno Michel
• DOI : 10.70675/660259c9za351z4d37zbb45z546fb11ea512

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nickel

Métaux -- Fatigue

Mécanique de l'endommagement (milieux continus)

Mots clés libres

Modèle incrémental en temps

Fatigue

Mécanique de l'endommagement

Superalliage base Nickel

Propagation

Elasto-Visco-Plasticité cyclique

Time-Incremental model

Fatigue

Damage mechanics

Nickel-Based superalloy

Propagation

Cyclic elastic-Viscoplasticity

Résumé

Cette thèse vise à évaluer les capacités d'une approche locale de la rupture à simuler la propagation d'une fissure longue de fatigue dans des composants structurels. Une démarche en trois étapes est envisagée. Tout d'abord, le comportement cyclique non linéaire du superalliage base Nickel AD730™ est étudié à l'aide d'essais de caractérisation cyclique à trois températures cibles (20, 550 et 700°C). Des essais de propagation de fissures sur éprouvettes sont ensuite réalisés afin de mettre en évidence les principaux mécanismes pilotant la fissuration. Un modèle décrivant le comportement cyclique non-linéaire de l'AD730™ est proposé. Un couplage fort comportement-endommagement est ensuite établi conduisant à un modèle d'endommagement incrémental pour la fatigue. Ce modèle est implémenté dans un code éléments finis à l'aide d'un schéma de résolution purement implicite. Pour résoudre le problème de dépendance au maillage, une extension non-locale du modèle d'endommagement est proposée en utilisant une formulation à gradient implicite. Puis, une étape d'adaptation de maillage basée sur un estimateur d'erreurs est utilisée pour raffiner la discrétisation dans la zone d'élaboration de la fissure. Une fois l'amorçage atteint, un algorithme de suivi du chemin de fissure est utilisé pour définir la géométrie et la direction de l'incrément de fissure. Enfin, une transition endommagement-rupture incluant des étapes de remaillage, de transfert de champs et de rééquilibrage de la structure est effectuée. La cinétique associée à l'avancée de la fissure est alors retranscrite. La boucle numérique est évaluée lors de calculs sur une éprouvette SEN-T soumise à des chargements complexes de fatigue et fatigue-fluage. Les capacités de l'approche proposée et ses limites sont finalement discutées.

This PhD project aims at assessing the capabilities associated with the local approach to fracture to simulate the propagation of a long fatigue crack in structural components. To this end, a three-step approach is considered. First, the cyclic non-linear behavior of the Nickel-based superalloy AD730™ is studied using dedicated cyclic characterization tests at three target temperatures (20, 550 and 700°C). Crack propagation tests on laboratory specimens are then performed in order to evidence the main crack driving mechanisms. Next, a set of constitutive equations for the cyclic non-linear behavior of AD730™ is proposed and calibrated. A strong behavior-damage coupling is settled leading to a time-incremental damage model for fatigue. The model is implemented in a finite element code using a fully implicit resolution scheme. In order to solve for the mesh-dependency issue, a non-local extension of the damage model is proposed using an implicit gradient formulation. Finally, an error-based mesh adaption procedure is considered in order to refine the mesh in the fracture process zone, close to the crack-tip where the non-linear phenomena occur. Once crack onset is achieved, a crack path tracking algorithm is used to evaluate the geometry and the direction of the crack increment. Then, a damage-to-crack transition consisting in remeshing steps, fields transfer and equilibrium recovery is performed. This way, crack growth kinetics can be captured. The whole numerical loop is assessed on calculations conducted on a SEN-T specimen subjected to complex fatigue and creep-fatigue loading conditions. The capabilities of the proposed approach and its limitations are finally discussed.