Mécanique de la rupture et endommagement d’un alliage d’aluminium 2219 T87 pour application aérospatiale

Fracture mechanics and damage of 2219 T87 aluminum alloy for aerospace application

• Auteur / Autrice : Christophe Le Guyader
• Direction : Jacques Besson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jia Li
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Besson, Jean-Christophe Ehrstrom, Yazid Madi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Doquet, Aude Simar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Rupture, Mécanique de la

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Alliage d’aluminium 2219 T87

Mécanique de la rupture

Germination anisotrope

Rupture anisotrope

Analyse FAD

Modèle d’endommagement GTN

2219 T87 aluminum alloy

Anisotropic nucleation

Damage model GTN

Anisotropic fracture

FAD analysis

J-Integral

Résumé

L'objectif de ce travail est la mise en oeuvre de la mécanique de la rupture et d'un modèle d'endommagement afin de vérifier l'intégrité du réservoir cryotechnique d'ARIANE 5 en présence de défauts. Ces derniers sont généralement assimilés à des fissures surfaciques semi-elliptiques. L'approche globale basée sur l'analyse FAD fournit une prédiction trop conservative lorsque cette méthode utilise le facteur d'intensité K et la ténacité KIc. Ce conservatisme peut toutefois être partiellement levé à condition d'introduire la notion d'intégrale J et d'utiliser une ténacité dérivée de la courbe JR - ∆a afin d'autoriser une légère avancée de la fissure dans le cas d'un matériau ductile. Cette courbe JR - ∆a s'obtient à partir d'essais sur des éprouvettes fissurées de différentes géométries (CT, SENT et SCT). L'approche locale de la rupture constitue cependant la seule alternative possible afin de statuer sur l'acceptabilité d'un défaut suffisamment important pour générer une plasticité étendue. Cette approche nécessite alors de décrire précisément les champs de contrainte et déformation en pointe de fissure. Par conséquent il est nécessaire de tenir compte du caractère anisotrope de la plasticité, lié au procédé de laminage, lors de la modélisation du comportement élasto-plastique del'alliage d'aluminium 2219 T87. Dans cette étude un critère phénoménologique est utilisé pour modéliser la plasticité dont l'anisotropie est décrite par différents coefficients. L'optimisation de ces paramètres repose sur la comparaison entre les résultats issus de simulations numériques et ceux obtenus par des essais sur des éprouvettes lisses et entaillées. L'approche local de la rupture repose également sur la compréhension des micromécanismes de rupture. L'alliage d'aluminium 2219 T87 étudié dans le cadre de cette thèse présenteune rupture ductile dont la phase de germination s'effectue sur les inclusions Al2Cu et constitue le mécanisme prépondérant de la rupture. L'endommagement est modélisé par le modèle de Gurson modifié par Needleman et Tvergaard (GTN). L'anisotopie de rupture est simulée par deux lois de germination différentes selon le sens de laminage et le sens transverse.

The purpose of this work is to use fracture mechanics and damage model to assess the structural integrity of the ARIANE 5 tank containing defects. These flaws are usually assumed to be semi-elliptical surface cracks.This situation can be analysed using the FAD (Failure Assessment Diagram) approach. This method is based on the stress intensity factor K and a material fracture toughness (Kmat) which can be the plane strain fracture toughness (KIC) for a conservative prediction. A more realistic prediction is achieved by employing the integral J and a material parameter derived from crack resistance curve JR - ∆a . This curve is obtained by using cracked test samples with different geometries (CT, SENT and SCT). The local approach to fractureis an alternative method to assess failure in particular in the case of large scale plasticity. In this case, the previous method is not able to give accurate predictions. Analyses based on local approach concepts requirean accurate evaluation of strain and stress fields near the crack tip. It is therefore important to take plastic anisotropy into account to model the plastic behavior of the rolled sheets. In this work this is done using amacroscopic phenomenological model. The parameters of this model are determined by minimizing of the difference between the simulation results and the test measurements for smooth and notched tensile test samples. The local approach to fracture is also based on the understanding of the failure micromechanismsof materials. Ductile fracture of metallic materials can be described as a three stage process. The first is void initiation at inclusions, the second is void growth and the third is void coalescence. Nucleation of defectsat Al2Cu inclusions is the main damage mechanism. In this work, the proposed model for ductile fracture is based on the Gurson model modified by Needleman and Tvergaard (GTN). This model is extended to account for fracture anisotropic by considering two nucleation gaussian laws respectively for rolling andtransverse directions.