Alexandre, Franck (2004) Aspects probabilistes et microstructuraux de l'amorçage des fissures de fatigue dans l'alliage Inco 718. PhD thesis Sciences et Génie des Matériaux, ENSMP - Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP p.273.
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Abstract
Thermomechanical treatments have been recently developed to produce Inconel 718DA (Direct Aged). This alloy optimisation leads to an increase of the fatigue life but also the scatter. The aim of this study is on the one hand the understanding of the fatigue crack initiation mechanisms and on the other hand the modelling of the fatigue life and the scatter. An experimental study showed that the fatigue cracks were initiated from carbide particles in fine grain alloy. Interrupted tensile tests show that the particles cracking occurred at the first quarter of the fatigue cycle. Fatigue behaviour tests were also performed on various grain size 718 alloys. The last experimental part was devoted to measurements of the low cycle fatigue crack growth rates using a high focal distance microscope. For these tests, EDM micro-defects were used for the fatigue crack initiation sites. This method was also used to observe the small fatigue crack coalescence. A fatigue life model is proposed. It is based on the three fatigue crack initiation mechanisms competition: particle crack initiation on the surface, internal particle crack initiation and Stade I crack initiation. The particle fatigue crack initiation is supposed instantaneous at a critical stress level. The Tanaka and Mura model is used for analysing the Stage I crack initiation number of cycles. The fatigue crack growth rate was analysed using the Tomkins model identified on the small fatigue crack growth rate measurements. The proposed fatigue life model decomposed in three levels: a deterministic one and two probabilistic with and without crack coalescence.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| Thesis Supervisor: | Pineau, André |
| Date: | 12 March 2004 |
| Board of examiners: | Petit, J. and Clavel, M. and Fedelich, B. and Fivel, M. and Guedou, J.y. and Deyber, S. and Piques, R. and Sudret, B. and Pineau, A. |
| Discipline: | Sciences et Génie des Matériaux |
| Collection (Fonds): | ENSMP |
| Institution: | ENSMP |
| Department: | ENSMP - Centre des Matériaux P.M. Fourt |
| Subjects: | 4. Materials Science, Mechanics and Mechanical Engineering |
| Uncontrolled Keywords: | Amorçage de fissures, Fatigue, Propagation de petites fissures, Fatigue oligocyclique, Haute température, Superalliage base nickel, Inconel 718 |
Table of content
Introduction de l'étude
CONTEXTE DE L'ETUDE 9
OBJET DE L'ETUDE 12
DEMARCHE DE L'ETUDE 14
Partie A:
Propriétés microstructurales - Comportement mécanique et endommagement par fatigue
PROPRIETES MICROSTRUCTURALES EN RELATION AVEC L'ELABORATION 18
2.1. COMPOSITION ET METALLURGIE DE L'ALLIAGE 718 18
2.2. INFLUENCE DES AUTRES ELEMENTS D'ADDITION 23
2.3. ELABORATION DE L'ALLIAGE: 25
2.4. MISE EN FORME DE L'ALLIAGE 718 26
BIBLIOGRAPHIE 30
COMPORTEMENT MECANIQUE DE L'INCONEL 718 33
3.1. TRACTION 33
3.2. FLUAGE 35
3.3. FATIGUE 38
3.3.1. Comportement 38
3.1.2. Durée de vie 40
3.1.3. Amorçage des fissures en fatigue dans l'alliage 718 43
3.1.3.1. Amorçage en stade I 44
3.1.1.2. Amorçage sur particules 45
3.1.4. Propagation 47
3.1.4.1. Propagation de grandes fissures 47
3.1.1.2. Propagation de petites fissures 53
BIBLIOGRAPHIE 60
MECANISMES ET MODELES DE FATIGUE 64
4.1. L'AMORÇAGE 64
4.1.1. Amorçage en Stade I 64
4.1.1.1. Observation et mécanismes d'amorçage en Stade I 64
4.1.1.2. Modèles d'amorçage en Stade I 66
4.1.2. Amorçage sur Hétérogénéités 70
4.1.2.1. Observation et mécanismes d'amorçage sur hétérogénéités 70
4.1.1.2. Modèles d'amorçage sur hétérogénéités 73
4.2. MODELES DE PROPAGATION DE PETITES FISSURES 73
4.3. MODELE DE DUREE DE VIE 75
4.3.1. Modèle déterministe 75
4.1.2. Modèle probabiliste 77
4.4. COALESCENCE DE FISSURES 81
BIBLIOGRAPHIE 87
Partie B:
Matériau, procédures et résultats expérimentaux
CARACTERISATION MICROSTRUCTURALE DU MATERIAU ET TECHNIQUES
EXPERIMENTALES 93
5.1. MICROSTRUCTURE DU MATERIAU DE L'ETUDE 93
5.1.1. Microstructure du disque de turbine étudié 93
5.1.2. Analyse de la répartition des particules 94
5.1.1.1. Homogénéisation des images et seuillage 95
5.1.1.2. Analyse de l'image binaire et méthode d'analyse des amas 96
5.1.1.3. Caractérisation des amas 99
5.1.3. Traitement Thermique de grossissement de grain 100
5.2. ESSAIS PRELIMINAIRES 102
5.2.1. Essais d'oxydation statique 102
5.2.2. Cartographie des hétérogénéités 103
5.3. TRACTION 104
5.3.1. Traction in-situ 104
5.3.2. Traction à chaud 105
5.4. FATIGUE 106
5.4.1. Essais de comportement 108
5.1.2. Essais de durée de vie 109
5.1.3. Essais de propagation 111
5.1.4. Essais d'interaction de fissures 114
BIBLIOGRAPHIE 116
RESULTATS EXPERIMENTAUX - ESSAIS MECANIQUES ET OBSERVATIONS 118
6.1. DESCRIPTION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DU DISQUE: 118
6.1.1. Comportement en traction 118
6.1.1.1. Essais à température ambiante 118
6.1.1.2. Essais de traction à chaud 119
6.1.2. Comportement en fatigue 120
6.2. DESCRIPTION DES MECANISMES D'AMORÇAGE: 124
6.2.1. Effet d'une Oxydation statique 124
6.2.2. Présentation des différents sites d'amorçage 127
6.1.3. Cinétique et mécanisme d'amorçage sur particules 130
6.3. DUREE DE VIE 133
6.4. PROPAGATION 139
6.4.1. Fractographie 139
6.4.1.1. Effet de la taille de grain 139
6.1.1.2. Sous vide 141
6.1.1.3. Effet de fréquence et de la température sur alliage DA 141
6.1.2. Mesures de vitesses de Propagation sur répliques 142
6.1.3. Mesures de vitesses de propagation à l'aide d'un microscope à grande distance focale (Questar) 145
6.1.4. Interactions entre fissures 148
6.1.4.1. Fissures colinéaires 148
6.1.4.2. Fissures superposées 151
BIBLIOGRAPHIE 154
Partie C :
Simulation
MODELE DETERMINISTE 157
7.1. AMORÇAGE 157
7.1.1. Amorçage en Stade I: 158
7.1.2. Amorçage sur particules 158
7.1.3. Critère de transition & prédiction de durée de vie 159
7.2. RESULTATS DU MODELE 161
7.2.1. Paramètres du modèle 161
7.1.2. Effet de la taille de grain 162
7.1.3. Cas de l'alliage DA 163
BIBLIOGRAPHIE 167
MODELE PROBABILISTE 168
MODELE PROBABILISTE 169
8.1. AMORÇAGE SUR PARTICULES 169
8.1.1. Probabilité de rupture des particules 169
8.1.2. Taille des particules 171
8.2. SIMULATION PROBABILISTE SANS COALESCENCE 174
8.3. SIMULATION 2D DE LA COALESCENCE 181
8.1.1. Simulation de la répartition des carbures dans l'alliage 718 181
8.1.2. Modèle de coalescence 184
8.1.3. Résultats du modèle 186
8.1.1.1. Effet d'échelle 186
8.1.1.2. Effet du fibrage 189
BIBLIOGRAPHIE 195
Partie D :
Discussion - ConclusionsPerspectives
DISCUSSION 197
9.1. EFFETS D'ENTAILLE 197
9.1.1. Chargement en surface 197
9.1.2. Profil de contrainte au premier quart de cycle 200
9.1.3. Courbes cycliques stabilisées 203
9.2. CRITERE D'AMORÇAGE 3D 205
9.3. PROPAGATION 207
9.1.1. Propagation paramétrée à l'aide du facteur d'intensité des contraintes, ∆K 207
9.1.1.1. Cas d'une fissure unique 207
9.1.1.2. Cas de la coalescence de fissures colinéaires 211
9.1.1.3. Cas de l'effet d'écran 212
9.1.2. Prise en compte du rapport de chargement 213
9.4. METHODE PROPOSEE POUR LE TRAITEMENT D'UNE STRUCTURE REELLE 213
9.1.1. Amorçage sur particules 214
9.1.2. Amorçage en Stade I 216
9.1.3. Propagation dans les premiers éléments 216
9.1.4. Méthode de calcul pour un disque de turbine 218
BIBLIOGRAPHIE 222
CONCLUSIONS 223
PERSPECTIVES 227
Annexes
ANNEXE 1: TABLES DES EPROUVETTES ET DES PRINCIPAUX RESULTATS 230
ANNEXE 2: ANALYSE D'IMAGE 234
ANNEXE 3: ESSAIS DE COMPORTEMENT EN TRACTION 240
ANNEXE 4: ESSAIS DE COMPORTEMENT EN FATIGUE 243
ANNEXE 5: ESSAIS DE DUREE DE VIE EN FATIGUE 250
ANNEXE 6: TABLES DES MESURES EXPERIMENTALES SUR REPLIQUES ET HISTOGRAMMES DE POPULATION DE FISSURES 252
ANNEXE 7: EXTENSIONS DU MODELE D'INTERACTION DE FISSURES 257
ANNEXE 8: ETUDE PARAMETRIQUE DE L'EFFET DE LA VITESSE DE PROPAGATION INTERNE SUR LES RESULTATS DU MODELE PROBABILISTE 259
ANNEXE 9: CALCUL DE ∆Κ EQUIVALENT APPLIQUE LORS DES ESSAIS DE PROPAGATION DE PETITES FISSURES 261
ANNEXE 10: LOIS DE COMPORTEMENT 268
| ID Code: | 857 |
|---|---|
| Deposited By: | Francine Masson |
| Deposited On: | 18 October 2004 |
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