Etude du comportement et de l'endommagement en fatigue d'alliages d'aluminium de fonderie (2004)

La présente étude a pour but de déterminer l'influence de la composition chimique, des procédés industriels, et du traitement thermique d'alliages Al-Si sur leur comportement et leur durée de vie en fatigue. Il s'agit de diminuer le temps de développement d'une pièce et donc son coût, en augmentant la part des simulations numériques dans le processus de conception. On cherche donc à fournir un modèle unifié pour la classe des alliages d'aluminium de fonderie, à application pour les culasses automobiles.<br />1 Essais mécaniques<br />Des essais mécaniques ont permis de définir les lois de comportement et d'amor¸cage de quelques alliages représentatifs des différentes familles d'alliages, avec divers pourcentages de Si, Cu, Mg et divers traitements thermiques. Ces essais sont de type fatigue isotherme, fatigue thermomécanique, microscopie électronique en transmission, en balayage et dureté... Le point névralgique de cette étude est le caractère vieillissant de ces alliages, dû aux phénomènes de croissance/coalescence des précipités durcissants qui provoquent un adoucissement rapide en température.<br />2 Approche microstructurale<br />Le comportement dépend de la nature et de la taille des précipités durcissants que contient la matrice. Une étude au MET et une simulation sur le logiciel Thermo-calc nous ont permis de déterminer les domaines de stabilité des diverses phases durcissantes en fonction de la composition et de la température de revenu et/ou de service. La gamme de température étudiée va de 20 à 300°C. La concentration en éléments d'alliage va de 5 à 10% pour Si et de 0 à 3% pour Cu. Elle vaut 0.3% pour Mg. Le taux de résiduels (Fe, Mn, Ti...) dépend du grade de l'alliage. Les traitements thermiques sont T5, T6 et T7.<br />3 Comportement et amorçage<br />Les lois de comportement contrainte-déformation sont implantées dans le code de calcul par éléments finis ZéBuLon. Le modèle de comportement élastoviscoplastique est issu du modèle de Lemaitre et Chaboche. Un paramètre de vieillissement identifié à l'échelle microscopique et dont l'effet est sensible au point de vue macroscopique est ajouté à ce modèle. La variable interne a, qui modélise le vieillissement, porte principalement sur la limite d'élasticité et l'écrouissage cinématique, elle permet de rendre compte de la chute des propriétés mécaniques de l'alliage. Ceci complique les capacités de prévision de modèles du type Manson-Coffin ou Wöhler. Pour cette raison, on adapte à nos matériaux un modèle d'intéraction fatigue-fluage proposé par l'ONERA. Pour la prévision de la durée de vie, on utilise les données expérimentales en conditions stabilisées pour identifier les lois d'amorçage par le biais d'un post-traitement. Le modèle d'amorçage introduit une interaction fatigue-fluage non-linéaire. On retrouve ainsi naturellement à basse température un mode de rupture dominé par la fatigue et à haute température un effet prédominant du fluage.<br />4 Résultats<br />Ce modèle a été appliqué au calcul d'une structure réelle (culasse diesel), dont le maillage a été fourni par Renault.<br />La cartographie thermique, les champs de contraintes et de déformations, ainsi que les champs de vieillissement permettent de comprendre les mécanismes d'endommagement du pontet intersoupapes en fatigue thermo-mécanique en fonction de la composition chimique et du traitement thermique de l'alliage.