Sansoz, Frédéric (2000) Propagation des petites fissures de fatigue dans les zones de concentration de contraintes dans le superalliage N18. PhD thesis Sciences et Génie des Matériaux, Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP p.290.

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Abstract

L'alliage N18 est utilisé pour la fabrication des disques de turbine des moteurs M88. Ce superalliage base Ni, élaboré par métallurgie des poudres (MDP), associe une bonne mise en oeuvre à des propriétés mécaniques statiques très élevées au-dela de 650°c. La difficulté dans la maîtrise des alliages obtenus par MDP, réside dans le contrôle du taux d'inclusions entraînées pendant l'élaboration. La présence, même extrêmement faible, de ces défauts microstructuraux (<100µm) pourrait accidentellement entraîner l'amorçage de petites fissures de fatigue elliptiques, sous l'effet de concentrations de contraintes comme les entailles de fixation des aubes. Il est donc important de savoir si le comportement en propagation de ces petites fissures (0.1mm<a <1mm) peut être décrit simplement, au fond d'une entaille, en utilisant les outils de la mécanique de la rupture classique, établie sur des fissures longues (>0.5mm). L'étude porte sur deux types de microstructure: l'une à grains fins (10-20µm) et l'autre à gros grains (50-60µm). Des éprouvettes entaillées symétriques contenant un très petit défaut semi-circulaire réalisé par électro-érosion et situé au fond d'une des entailles ont été spécialement conçues. Ces éprouvettes ont été testées a haute température (450°c, 650°c et 730°c) en fatigue-fluage (cycles 10s-300s-10s) avec différents rapports de charge. Un dispositif optique de haute résolution a permis de mesurer, au fond de l'entaille, des avancées de fissure en surface de 10µm, dès les premiers cycles, alors que la technique conventionnelle de suivi électrique reste inappropriée jusqu'a des tailles de fissure inférieures à 400µm. L'amplitude du facteur d'intensité des contraintes a été calculée en prenant en compte la forme de la fissure, le gradient de contraintes lié à l'entaille et la plasticité cyclique liée au comportement viscoplastique de l'alliage. De plus, les effets 3D de fermeture d'une petite fissure semi-circulaire ont été déterminés avec des calculs par éléments finis et par analyse de la forme des fronts expérimentaux. La prise en compte de cet effet est capable de diminuer significativement les différences de vitesses de propagation observées entre petites fissures et fissures longues.

Table of content

CHAPITRE I: Introduction générale 1

I.1 Le problème industriel 3

I.2 Les effets de petite fissure de fatigue 7

I.3 Objectifs 17

Bibliographie du chapitre I 19

PARTIE A: PROPRIETES MICROSTRUCTURALES ET MECANIQUES DU MATERIAU DE L'ETUDE 23

CHAPITRE II: Propriétés microstructurales du superalliage N18 - 25

II.1 Mise en oeuvre de l'alliage N18 27

II.2. Composition chimique et rôle de la précipitation 29

II.3 Microstructures de l'alliage N18 à grains fins 33

II.4 Microstructure de l'alliage N18 à gros grains 34

Bibliographie du chapitre II 35

CHAPITRE III: Vitesses d'avancée des fissures longues dans l'alliage N18 à haute température 37

III.1 Vitesses de propagation des fissures en fatigue-fluage à 650°C dans l'alliage N18 à grains fins 39

III.2 Vitesses d'avancée des fissures de surface longues 43

Bibliographie du chapitre III 53

CHAPITRE IV: Caractérisation et modélisation du comportement mécanique à haute température du superalliage N18 55

IV.1 Comportement mécanique de l'alliage N18 57

IV.2 Modélisation numérique du comportement en fatigue-relaxation à 650°C 63

Bibliographie du chapitre IV 77

PARTIE B: MESURES EXPERIMENTALES 79

CHAPITRE V: Vitesses d'avancée des petites fissures dans les éprouvettes entaillées symétriques 81

V.1 Procédures expérimentales 83

V.2 Vitesses d'avancée de petite fissure en fond d'entaille dans l'alliageN18 à grains fins 89

V.3 Comparaisons avec les résultats obtenus dans la littérature 95

Bibliographie du chapitre V 99

PARTIE C: CALCULS DES PARAMETRES DE CHARGEMENT

DANS LES EPROUVETTES ENTAILLEES SYMETRIQUES 101

CHAPITRE VI: Etude du chargement élasto-viscoplastique en fond d'entaille 103

VI.1 Facteur de concentration de contrainte (calcul élastique théorique) 105

VI.2 Champs de contraintes élasto-plastiques 109

VI.3 Champs viscoplastiques calculés par la méthode des éléments finis 113

VI.4 Conclusions 119

Bibliographie du chapitre VI 121

CHAPITRE VII: Calculs du Facteur d'Intensité de Contraintes, d'une fissure de surface soumise à un gradient de contraintes 123

VII.1 Revue bibliographique 124

VII.2 Calculs du FIC appliqués à l'éprouvette entaillée symétrique 131

VII.3 Prise en compte de la plasticité cyclique en fond d'entaille 133

Bibliographie du chapitre VII 143

CHAPITRE VIII: Etude 3D de la fermeture d'une fissure de surface sous un gradient de contraintes 147

VIII.1 Les effets de fermeture de fissure (Revue Bibliographique) 149

VIII.2 Calculs numériques de la fermeture au coeur de l'éprouvette 162

VIII.3 Calculs de la fermeture à la surface de l'éprouvette 181

VIII.4 Comparaisons avec le modèle de Newman 184

Bibliographie du chapitre VIII 197

PARTIE D :

DISCUSSION 201

CHAPITRE IX: Résultats et discussion 203

IX.1 Essais d'interprétation de l'effet d'une pré-déformation cyclique sur les vitesses de propagation des petites fissures 205

IX.2 Vitesses de propagation des petites fissures dans les zones entaillées 209

IX.3 Applications à l'alliage N18 à gros grains 219

Bibliographie du chapitre IX 229

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 231

ANNEXES 235

ANNEXE A: Procédés d'élaboration par métallurgie des poudres des disques de turbine en alliage N18 filé forgé 237

ANNEXE B: Procédures expérimentales 239

ANNEXE C: Lois de comportement de l'alliage N18 à 650°C et 450°C 252

ANNEXE D: Dépôt de micro-grilles d'or au fond des entailles de l'éprouvette entaillée symétrique 260

ANNEXE E: Formulaire des facteurs d'intensité de contraintes 265

ANNEXE F: Compléments sur les calculs numériques de propagation de fissure par libération de noeuds 270

ANNEXE G: Compléments sur le modèle de fermeture de fissure de Newman 279

Bibliographie des annexes 287

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