Projet ANR-12-RMNP-0011 – INDiANA : Influence des défauts de fonderie dans l’endommagement par fatigue thermomécanique oligocyclique des alliages d’aluminium obtenus par un procédé à modèle perdu
Programme : Matériaux et Procédés pour des Produits Performants (MATETPRO) 2012
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Eric CHARKALUK (Laboratoire de Mécanique de Lille)
Partenaires : Centre des Matériaux; Centre Technique des Industries de la Fonderie; Institut d'Alembert; Laboratoire de Mécanique de Lille; Laboratoire de Mécanique des Solides; Matériaux : Ingénierie et Science; PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILE SA
Montant : 920870.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Depuis des décennies, en raison de considérations environnementales et d’objectifs de réduction des coûts, les constructeurs automobiles ont mené une stratégie de downsizing, en particulier pour les pièces moteur comme les blocs cylindres ou les culasses. Dans ce dernier cas, les alliages d'aluminium ont été choisi pour remplacer la fonte et, depuis quelques années, le Procédé à Modèle Perdu (PMP) a été introduit afin de remplacer la Coulée par Gravité (CG) pour des questions d’optimisation de géométrie, de réduction des coûts et de réduction de masse et donc de consommation. Une des conséquences de ce downsizing est l’augmentation de la puissance spécifique du moteur et des flux de combustion. La culasse devient donc l’une des pièces la plus critique du moteur automobile, soumise à des chargements thermomécaniques sévères lors du cycle de démarrage-arrêt du véhicule.
Une spécificité importante du procédé PMP est le fait que la vitesse de refroidissement est relativement lente par rapport au procédé CG, ce qui crée une microstructure grossière en terme de SDAS mais également une augmentation du nombre de porosités et d’inclusions (intermétalliques, oxydes). Récemment, il a été montré par certains des partenaires du projet que l’endommagement en fatigue oligocyclique thermomécanique (LCF / TMF) est le résultat d'une compétition entre porosités et phases intermétalliques et eutectiques, ce qui peut réduire de façon drastique, dans certains cas, la durée de vie et, par conséquent, la fiabilité des pièces.
L'objectif principal du projet INDiANA est une compréhension fine du phénomène de fatigue thermomécanique de ce type d’alliages afin d'améliorer les critères de fatigue grâce à une approche de modélisation multi-échelle et, par conséquent, la fiabilité cible des composants moteur. Cela nécessite des analyses métallurgiques 2D et 3D, des essais de fatigue isothermes et anisothermes avec des mesures de champs 2D et 3D, des calculs de microstructure et des techniques d'homogénéisation non-linéaires qui combleront l'écart entre la modélisation phénoménologique actuelle en fatigue oligocyclique et les simulations micromécaniques.
Les principales étapes de cette proposition sont donc (i) l’obtention par fonderie d'éprouvettes représentatives de la microstructure du composant avec des défauts contrôlés à la fois en emplacement et en taille et la caractérisation de celles-ci en 3D afin de valider ce procédé et d’obtenir des données 3D pour les modèles numériques, (ii) de comprendre les micromécanismes en fatigue (thermo)mécanique en utilisant à la fois des essais in situ sous microtomographie X et des essais plus classiques couplés à de la Corrélation d’Images / Volumes Numérique, (iii ) de proposer un modèle prédictif de fatigue pour les matériaux hétérogènes contenant des défauts volumiques sur la base de simulations numériques et de techniques d'homogénéisation micromécaniques non linéaires et (iv) d’intégrer ces résultats dans une stratégie industrielle de dimensionnement probabiliste à la fatigue thermomécanique. Cette intégration industrielle conduira à l'adaptation des méthodes développées en vue de proposer une méthode de dimensionnement macroscopique basée sur les observations microscopiques des mécanismes physiques.
Le succès de INDiANA repose sur la combinaison d’expertises existantes chez les différents partenaires en microtomographie X, en fatigue, en analyses des micromécanismes à l’aide de mesures de champs, en procédés de fonderie, en simulations numériques et en micromécanique. En outre, un atout majeur du consortium est la présence d'une solide expérience du dimensionnement à la fatigue de structures industrielles et de nombreuses années de collaboration active par l'intermédiaire de thèses communes, de postdoctorats et de stages.
Ce projet de recherche a aussi un impact à moyen terme sur l’environnement par l'optimisation du procédé PMP, sur  la fiabilité mécanique des structures et sur l’allègement.