Asserin-Lebert, Alexandra (2005) Etude expérimentale et prévision des mécanismes de rupture des tôles et des joints soudés bout à bout en alliage d'aluminium 6056. PhD thesis Sciences et génie des matériaux, ENSMP - Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP.

Full text available as: - Asserin-Lebert.pdf ( 2659 Kb )

Licence: Copyright

Abstract

Dans une démarche globale d'allègement des structures aéronautiques assemblées par soudage (projet ASA avec EADS et ALCAN), le dimensionnement en tolérance au dommage nécessite de connaitre les tailles admissibles des fissures sur les panneaux structuraux de fuselage. Les alliages d'aluminium utilisés dans l'aéronautique ont une ténacité élevée. Les normes appliquées conduisent donc à faire des essais (dits de courbe R) sur de larges plaques. Ces essais sont très couteux et difficiles à modéliser par une approche globale de la rupture. Une approche locale pourrait etre utilisée pour modéliser la ténacité des joints soudés et limiter ainsi le nombre d'essais sur larges plaques.
Un des enjeux majeurs de ce travail est l'étude du comportement des tôles et des joints soudés en alliage d'aluminium 6056 des structures aéronautiques pour les fuselages des avions. Le but est de mettre en évidence, d'une part, l'effet d'épaisseur et d'écrouissage des tôles laminées sur les modes de rupture et d'autre part, les mécanismes de rupture mis en jeu dans un joint soudé par laser CO2. Cela nécessite alors la caractérisation de la microstructure et des propriétés mécaniques des tôles et des différentes zones du joint soudé telles que la zone fondue, la zone affectée thermiquement et le métal de base. Différents types d'essais mécaniques sont menés sur des éprouvettes lisses, entaillées et des éprouvettes de fissuration de type Kahn. Ils permettent d'identifier les paramètres du modèle d'approche locale associés aux tôles d'aluminium et aux différentes zones de la soudure pour modéliser par éléments finis les mécanismes de rupture.

Table of content

I Introduction générale 1
1 Introduction 3
1.1 Contexte 3
1.2 Problématique 6
1.3 Sommaire 7
2 Etude bibliographique 9
2.1 Généralités propres aux alliages de la série 6000 9
2.1.1 Introduction 9
2.1.2 Le durcissement structural 9
2.1.2.1 Principe de base 9
2.1.2.2 Traitements thermiques des alliages de la série 6000 10
2.1.2.3 Précipitation des alliages de la série 6000 12
2.1.3 Précipitation et comportement mécanique des 6000 14
2.1.4 Conclusion 14
2.2 Étude de l'effet d'épaisseur sur la rupture des tôles 15
2.2.1 Introduction 15
2.2.2 Principaux essais et matériaux étudiés 15
2.2.3 Conclusion 18
2.3 Le soudage des alliages d'aluminium 19
2.3.1 Transformations métallurgiques liées au soudage 19
2.3.2 Paramètres influençant les propriétés de la soudure 21
2.3.3 Les conséquences mécaniques du soudage 22
2.3.4 Modélisation de structures soudées 25
2.3.5 Conclusion 26
2.4 Conclusion 28
II Mécanismes de rupture des tôles d'aluminium 6056 29
1 Présentation du matériau 31
1.1 Introduction 31
1.2 Les états AR et HT de l'AA6056 31
1.2.1 AR: gamme de fabrication 31
1.2.2 HT: fabrication et mise au point du traitement thermique 32
1.3 Analyse chimique de l'AA6056 36
1.4 Suivi du vieillissement par des essais de dureté 37
1.4.1 Dureté sur AR et sur HT 37
1.5 Caractérisation microstructurale par MO et MEB 38
1.5.1 Structure granulaire 39
1.5.2 Analyse des précipités 40
1.6 Caractérisation des phases plus fines par MET 42
1.7 Analyse des lames minces par EDX au MEB 45
1.8 Conclusion 47
2 Essais mécaniques 49
2.1 Introduction 49
2.2 Prélèvement des éprouvettes 50
2.3 Dispositifs expérimentaux 52
2.3.1 Dispositifs de traction sur éprouvettes lisses 52
2.3.2 Dispositifs de traction sur éprouvettes entaillées en U et V 53
2.3.3 Dispositifs de traction sur éprouvettes Kahn 54
2.4 Résultats des essais mécaniques 56
2.4.1 Essais de traction sur éprouvettes lisses 56
2.4.1.1 Écrouissage 56
2.4.1.2 Anisotropie 57
2.4.1.3 Effet de vitesse 59
2.4.2 Essais de traction sur éprouvettes entaillées 60
2.4.2.1 Influence du sens de prélèvement des 60
2.4.2.2 Influence de l'épaisseur pour une géométrie donnée 61
2.4.2.3 Influence de la géométrie pour une épaisseur donnée 64
2.4.2.4 Influence de l'écrouissage 65
2.4.3 Essais sur éprouvettes de type Kahn 66
2.5 Conclusion 69
3 Étude des mécanismes de rupture 71
3.1 Introduction 71
3.2 Mécanismes macroscopiques 71
3.3 Mécanismes microscopiques 74
3.4 Étude de l'endommagement 77
3.5 Conclusion 80
4 Discussion 83
4.1 Effet du traitement thermique sur les mécanismes de rupture 83
4.2 Mécanismes de rupture microscopique 84
4.3 Effet d'épaisseur sur la rupture 85
4.4 Effet de l'écrouissage sur les propriétés mécaniques 86
5 Modélisation numérique de l'effet d'épaisseur et de l'écrouissage 89
5.1 Introduction 89
5.2 Présentation du modèle et méthode d'identification des paramètres 89
5.2.1 Loi d'écrouissage 89
5.2.2 Modèle d'endommagement 91
5.2.3 Évolution de la porosité 93
5.2.4 Critère d'anisotropie 95
5.2.5 Indicateur de localisation: post-processeur 97
5.3 Résultats des simulations 97
5.3.1 Résultats sur les courbes de chargement macroscopique 98
5.3.2 Résultats sur l'indicateur de localisation 101
5.4 Conclusion 105
6 Conclusion 107
III Mécanismes de rupture d'un joint soudé bout à bout par
Laser CO2 en alliage d'aluminium 6056 109
1 Introduction 111
2 Présentation du matériau 113
2.1 Procédé de fabrication et traitement thermique 113
2.2 Microstructure du joint soudé 114
2.2.1 Analyse des phases 114
2.2.2 Structure granulaire 117
2.2.3 Microstructure 118
2.2.4 Essais de dureté après le traitement T78 119
2.3 Nature des défauts présents dans le cordon de soudure 120
2.4 Conclusion 122
3 Essais mécaniques sur joints soudés et mécanismes de rupture 123
3.1 Introduction 123
3.2 Prélèvement des éprouvettes 123
3.3 Les essais de traction sur éprouvettes lisses 125
3.4 Les essais sur éprouvettes entaillées 128
3.4.1 Influence de la position de l'entaille sur la rupture 128
3.4.2 Influence du rayon à fond d'entaille 129
3.5 Essais sur éprouvettes de type Kahn 131
3.5.1 Kahn sens L 131
3.5.2 Kahn sens T 132
3.6 Essais CCT 134
3.7 Conclusion 137
4 Étude des mécanismes de rupture 139
4.1 Étude macro/microscopique des mécanismes de rupture 139
4.2 Étude de l'anisotropie et de l'endommagement 143
4.3 Conclusion 148
5 Discussion 149
5.1 Influence des défauts de soudage et de la géométrie sur le comportement - 149
5.2 Effet d'épaisseur sur les essais de type Kahn 151
5.3 Mécanismes de rupture microscopique 151
5.4 Conclusion 153
6 Modélisation numérique du comportement des joints soudés 155
6.1 Introduction 155
6.2 Présentation du modèle et de la méthode d'identification des paramètres 155
6.3 Critère 157
6.4 Résultats 158
6.5 Conclusion 163
7 Conclusion 165
IV Conclusion et Perspectives 167
Références bibliographiques 175

Statistiques de consultation

Repository Staff Only: edit this item