Influence of casting defects on the fatigue behaviour of an A357-T6 aerospace alloy

222 Pages·2015·14.45 MB·English

No d’ordre 2014-ISAL–0117 Année 2014
THÈSE
Influence of casting defects on the
fatigue behaviour of an A357-T6
aerospace alloy
Étude de l’influence des défauts de fonderie
sur le comportement en fatigue de l’alliage
aéronautique A357-T6
Présentée devant
l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
pour obtenir
le GRADE DE DOCTEUR
École doctorale :
ED Matériaux
par
Itziar SERRANO MUNOZ
Ingénieur
Thèse soutenue le 28 Novembre 2014 devant la Commission d’examen
Jury
Veronique AUBIN
Professeur Rapporteur
Myriam BROCHU
Maître de Conférences Rapporteur
Jean-Yves BUFFIERE
Professeur Directeur de thèse
Yves GAILLARD
Ingénieur Examinateur
Yves NADOT
Professeur Examinateur
Catherine VERDU
Professeur Directeur de thèse
MatéIS
- UMR CNRS 5510 - INSA de Lyon
25 avenue Jean Capelle, 69621 Villeurbanne Cedex (FRANCE)
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0117/these.pdf
© [I. Serrano Munoz], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés
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INSA Direction de la Recherche – Écoles Doctorales – Quinquennal 2011-2015
SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE DE LYON M. Jean Marc LANCELIN
CHIMIE http://www.edchimie-lyon.fr Université de Lyon – Collège Doctoral
Bât ESCPE
Sec :Renée EL MELHEM 43 bd du 11 novembre 1918
Bat Blaise Pascal 69622 VILLEURBANNE Cedex
3e etage Tél : [phone]
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Insa : R. GOURDON
ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, M. Gérard SCORLETTI
E.E.A. AUTOMATIQUE Ecole Centrale de Lyon
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EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, Mme Gudrun BORNETTE
E2M2 MODELISATION CNRS UMR 5023 LEHNA
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69622 VILLEURBANNE Cédex
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INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE Mme Emmanuelle CANET-SOULAS
EDISS http://www.ediss-lyon.fr INSERM U1060, CarMeN lab, Univ. Lyon 1
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INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES Mme Sylvie CALABRETTO
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MATERIAUX DE LYON M. Jean-Yves BUFFIERE
Matériaux http://ed34.universite-lyon.fr INSA de Lyon
MATEIS
Secrétariat : M. LABOUNE Bâtiment Saint Exupéry
PM : 71.70 –Fax : 87.12 7 avenue Jean Capelle
Bat. Saint Exupéry 69621 VILLEURBANNE Cedex
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MEGA ACOUSTIQUE INSA de Lyon
http://mega.universite-lyon.fr Laboratoire LAMCOS
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Secrétariat : M. LABOUNE 25 bis avenue Jean Capelle
PM : 71.70 –Fax : [phone] VILLEURBANNE Cedex
Bat. Saint Exupéry Tél :[phone] Fax : [phone]
[email protected] [email protected]
ScSo* M. OBADIA Lionel
ScSo http://recherche.univ-lyon2.fr/scso/ Université Lyon 2
86 rue Pasteur
Sec : Viviane POLSINELLI 69365 LYON Cedex 07
Brigitte DUBOIS Tél : [phone] Fax : [phone]
Insa : J.Y. TOUSSAINT [email protected]
*ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie
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Ametsik gabeko bizia, izarrik gabeko gaua.
(Basque proverb)
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Acknowledgments
Many people helped me carry out the work presented in this PhD. I feel extraordinarily lucky
to have benefited from these individuals expertise, advise and guidance. I will start by thanking
my two supervisors (Jean-Yves Buffière and Catherine Verdu) and many colleagues (particularly
Joël Lachambre and Sylvain Dancette for their collaboration and Vincent Chomiene, le grand
animateur) from Mateis laboratory. Special thanks to CTIF (Yves Gaillard and Amaury Chabod)
for its expertise, assistance and being able to deliver new cast rods on such a sort notice as thy
did. Likewise, gratitude is expressed to ENSMA partners (Yves Nadot and Peng Fei Mu) mainly
for their vacuum testing and wise advise. Also, many thanks to all the people that assisted me
during the challenging periods of synchrotron experiments. The night shifts would have been just
unbearable without a companion (Cristina Revilla, la reine de la soudure) and tons of coffee and
sweets.
Un apartado propio merecen mi familia y amigos que desde la distancia se las han arreglado
para apoyarme y animarme, siempre con buen humor e incluso con bastante sorna. Llevar a cabo
este trabajo hubiese sido mucho menos interesante sin ellos.
© 2014 – Itziar SERRANO MUNOZ – Lab. MatéIS – INSA de Lyon iii
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Abstract
The excellent castability, relatively low production costs, and high strength to weight ratios make
Al-Si-Mg cast alloys an attractive choice for use in cheaper and lighter engineering components,
in both automotive and aerospace industries. However, it is well known that High Cycle Fatigue
(HCF) lives (105 < N < 107 cycles) of cast components are influenced when casting defects (such
f
as pores and oxides) are present at the free surface or subsurface. They act as stress raisers
which can considerably reduce the crack incubation period depending on their size, shape and the
microstructural features of the surrounding material. Internal casting defects are of special interest
to this work. The application of safety coefficients considers that all casting defects present in a
component have the same deleterious effect and no attention is paid, for example, to their distance
to the free surface. In other words, internal defects (corresponding to the case where the depth
of the defect allows crack nucleation and propagation to essentially occur without interaction with
the air environment) are considered as damaging to fatigue life as surface defects (those placed at
the free surface and in contact with the air environment).
Surface crack monitoring performed on uniaxial fatigue specimens indicates that the presence
of a surface microshrinkage exceeding the size of microstructurally small cracks (√A 500 µm,
≈
controlled by the SDAS) readily nucleates a fatigue cracks producing steady crack propagation
and remarkable reduction in the expected fatigue life. A smaller surface defect (√A 300 µm)
≈
nucleated a crack that did not reduced the expected fatigue life as in this case early stages of
propagation are still influenced by the SDAS.
Puretorsionalcyclingrevealsthatthemorphologyoffracturesurfacesishighlyinfluencedbythe
stress level. In general, torsional fatigue behaviour is described by having reduced (with respect
to uniaxial testing) and multisite crack nucleation periods. Several dominant cracks can evolve
simultaneouslyandthefinalfailureoccursbythelinkageofsomeofthosecracks. Crackpropagation
is controlled by the crystallography and pores do not appear to be preferential nucleation sites.
S-N curves show that macroscopic specimens containing 2 mm internal artificial defect
eq
≈
produce similar fatigue lives to those obtained with a defect(cid:31)-free material. Internal crack nucle-
ation was rarely observed during synchrotron tomography experiments; instead the fatal cracks
initiated from much smaller surface defects. Tomographic images show that, in the case of internal
propagation, crystallographicpathsareformedwhilesurfacecrackspropagateinmodeI.Thecrack
growthrateofinternalcracksismuchsmallerthanthatofcrackspropagatingfromthefreesurface.
Finally, FE simulations of realistic pore morphologies obtained using the 3D images indicate that
the K parameter can be used as indicator of the severity of the pore.
t
Keywords: A357-T6 cast aluminium alloy, small fatigue cracks, surface and internal casting
defects, uniaxial and torsional cycling, FE simulations, tomographic techniques, EBSD.
© 2014 – Itziar SERRANO MUNOZ – Lab. MatéIS – INSA de Lyon v
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Résumé
L’excellente coulabilité, les coûts de production relativement bas, et leurs ratios poids/résistance
mécanique élevés des alliages de fonderie Al-Si-Mg une des solutions les plus intéressantes dans le
secteur automobile ainsi que l’aérospatiale. Toutefois, il est bien connu que la durée de vie de ces
composants moulés à haut nombre de cycles (105 < N < 107 cycles) résulte sévèrement réduite
f
lorsquedesdéfautsdefonderie(notammentporesetoxydes)sontdébouchantset/ousubsurfaciques.
Cesdéfautsconcentrentlescontraintesetpeuventconsidérablementréduirelapérioded’incubation
de fissures de fatigue en fonction de leur taille, forme et des caractéristiques microstructurales du
matériau. Les défauts de fonderie dénommés internes sont d’un intérêt particulier à ce travail car
l’application de coefficients de sécurité ne tient pas compte de leur distance à la surface. C’est-à-
dire, les défauts internes (correspondant au cas où l’emplacement du défaut permettrait les fissures
d’amorcer et propager essentiellement sans interaction avec l’air ambiance) et les défauts de surface
(ceux qui sont placés à la surface et en contact direct avec l’air ambiance) vont également nuire la
durée de vie des composants moulés.
Le suivi de fissures surfaciques (effectué en éprouvettes macroscopiques de traction) indique que
la présence d’un microdéfaut avec une taille supérieure à celle de petites fissures microstructurelles
(√A = 500 µm, contrôlée par le SDAS) produit une remarquable réduction de la durée vie. En
revanche, la durée de vie n’est pas affectée lorsqu’un défaut plus petit (√A = 280 µm) en présent à
la surface car l’amorçage et les premiers stades de propagation sont encore influencés par le SDAS.
Les essaies en torsion pure montrent que la morphologie des surfaces de rupture est fortement
influencée par le niveau de contrainte. En général, le comportement en torsion correspond à des
périodes à l’amorçage relativement réduits (par rapport à la traction). Cet amorçage et multisite
et plusieurs fissures peuvent évoluer simultanément, la rupture finale se produisant par liaison de
certaines de ces fissures. La propagation de fissures en torsion est contrôlée par la cristallographie
et les retassures ne semblent pas être des sites de nucléation préférentiels, contrairement à ce qui a
été observé en fatigue uni-axiale.
Lesduréesdevieobtenuesenutilisantdesspécimensmacroscopiquescontenantdéfautsartificiel
internesde 2mmsontsimilairesàcellesobtenuesavecunmatériauderéférence. L’amorçage
eq
≈
de fissures i(cid:31)nternes a été rarement observé lors d’essais fatigue in situ caracterisés par tomographie
synchrotron. Les images tomographiques montrent que, dans le cas de la propagation interne,
les fissures ont une propagation cristallographique alors que les fissures surfaciques se propagent
sans influence apparente de l’orientation cristalline locale (mode I). La vitesse de propagation
des fissures internes est très inférieure à celle des fissures se propageant à partir de la surface.
Enfin, les simulations EF obtenues en utilisant les images en 3D indiquent que le paramètre K
t
est capable d’indiquer le grade de sévérité d’un pore, mais seulement quand les défauts sont d’une
taille similaire.
Mot Clés: alliage d’aluminium moulé A357-T6, fissures de fatigue courtes, défaut de fonderie
© 2014 – Itziar SERRANO MUNOZ – Lab. MatéIS – INSA de Lyon vii
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Résumé
surfaciques et internes, essais de fatigue en traction ou en torsion, simulations par éléments finis,
techniques de tomographie, EBSD.
viii © 2014 – Itziar SERRANO MUNOZ – Lab. MatéIS – INSA de Lyon
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