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Collège doctoral N° attribué par la bibliothèque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__| T H E S E pour obtenir le grade de Docteur de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris Spécialité “Sciences et Génie des Matériaux” présentée et soutenue publiquement par Frédéric SANSOZ le 22 Février 2000 Propagation des petites fissures de fatigue dans les zones de concentration de contraintes dans le superalliage N18 Directeur de thèse : André PINEAU (document provisoire) Jury M. Philippe BOMPARD, Ecole Centrale de Paris Examinateur M. Gilbert HENAFF, ENSMA Rapporteur M. Gilles ROUSSELIER, EDF Rapporteur Jacques BESSON , Ecole des Mines de Paris Examinateur Mme. Sylvie POMMIER, Ecole Centrale de Paris Examinateur M. Bruno BRETHES, SNECMA Examinateur Centre des Matériaux P.M. Fourt de l'Ecole des Mines de Paris, B.P. 87, 91003 Evry Cedex ________________________ "Le peu que je sache, je veux le faire connaître afin qu'un autre, meilleur que je suis, découvre la vérité, et que l'œuvre qu'il poursuit sanctionne mon erreur. Je m'en réjouirai pour avoir été, malgré tout, cause que cette vérité se fasse jour." - Albrecht Dürer - Peintre (1470-1528) Sommaire 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 œuvre 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, ∆K, 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 cœur 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 nœuds..................................................... 270 ANNEXE G : Compléments sur le modèle de fermeture de fissure de Newman ..................................................................... 279 Bibliographie des annexes 287 Nomenclature Longueurs physiques a c a/c i ..................... ..................... ..................... ..................... Profondeur d’une fissure de surface Longueur mesurée en surface d’une fissure Rapport de forme d’une fissure de surface Distance entre les stries ou interstrie Paramètres mécaniques Ε ν σ0 Rp0.2 Rc p0.2 σM A Z σ ε S Snom Smax Smin Souv Sf Kt Kt(x) Kf q R Rε K ∆K Kouv Kferm ∆Keff U J V(a,x) m(a,x) ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... Module d'Young Coefficient de Poisson Limite d’élasticité théorique Limite d’élasticité à 0.2 % de déformation Limite d'élasticité cyclique à 0.2 % de déformation Résistance à la rupture Allongement réparti Réduction de section Contrainte locale dans le sens de la sollicitation Déformation totale locale dans le sens de la sollicitation Contrainte macroscopique appliquée Contrainte nominale appliquée Contrainte nominale maximale appliquée Contrainte nominale minimale appliquée Contrainte appliquée à l'ouverture de la fissure Contrainte appliquée à la fermeture de la fissure Rapport de concentration de contraintes ( = σmax/Snom) Rapport de concentration de contraintes à une distance x du fond d'entaille Coefficient de réduction de résistance à la fatigue Coefficient de sensibilité à l'entaille Rapport de charge ( = Smin/Smax) Rapport de charge à déformation imposée ( = εmin/εmax) Facteur d’intensité de contraintes Amplitude du facteur d’intensité de contraintes (= Kmax – Kmin) Facteur d’intensité de contraintes à l’ouverture de la fissure Facteur d’intensité de contraintes à la fermeture de la fissure Amplitude effective du Facteur d’intensité de contraintes (= Kmax – Kouv) Coefficient de fermeture au sens de Elber Intégrale de contour Ouverture des lèvres d'une fissure de longueur a à l'abscisse x Fonction de poids analytique d'une fissure de longueur a à l'abscisse x 8 Abréviations CT CTOD CCT SENT LEFM EPFM FIC 10-300-10 10-10 SNECMA ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................ Compact Tension Specimen Crack Tip Opening Displacement Center Crack Tension Specimen Single Edge Notch Tension Specimen Linear Elastic Fracture Mechanics Elastic Plastic Fracture Mechanics Facteur d’Intensité de Contraintes Chargement de 10 s + temps de maintien de 300 s + déchargement de 10 s Chargement de 10 s + déchargement de 10 s Société Nationale d’Etudes et de Constructions de Moteurs Aéronautiques -9- __________________________________________ CHAPITRE I : Introduction générale __________________________________________ I.1 Le problème industriel 3 I.1.1 Les superalliages dans les moteurs aéronautiques 3 I.1.2 Calculs de durée de vie en fissuration des disques de turbine HP 3 I.1.3 Conditions de sollicitation 5 I.2 Les effets de petite fissure de fatigue 7 I.2.1 Mise en évidence des effets de petite fissure 7 I.2.2 Etudes prenant en compte un gradient de contraintes 11 I.3 Objectifs 17 Bibliographie du chapitre I 19 CHAPITRE I : Introduction générale -10- (a) (b) (c) Figure I.1 : sollicitations thermomécaniques dans les moteurs aéronautiques : (a) turboréacteur M88 ; (b) composants intérieurs; (c) répartition des matériaux [documents SNECMA] Disque de turbine HP -11- I.1 LE PROBLEME INDUSTRIEL I.1.1 Les superalliages dans les moteurs aéronautiques Le moteur M88 (figure I.1a) est un turboréacteur de haute technologie fabriqué par SNECMA pour équiper l'avion militaire Rafale. Ses très bonnes performances (poussée/masse) restent liées au choix des ingénieurs confrontés à la mise au point de matériaux pouvant répondre à des conditions de chargements les plus extrêmes. En effet, la poussée, finalité de tout turboréacteur, qui est obtenue par une compression et une détente importante des gaz, est générée par la mise en rotation de pièces et accompagnée d'échauffements importants au niveau de ces structures. Les disques de turbine (figure I.1b) sont notamment le siège de contraintes mécaniques centrifuges couplées à des conditions thermiques élevées pendant de longues périodes (de quelques minutes pour les avions militaires à une dizaine d'heure pour une croisière long courrier). Parmi les matériaux industriels actuels, les superalliages à base Nickel ont trouvé naturellement leur place pour ces composants du moteur situés près du corps de combustion, où les températures dépassent 550°C (figure I.1c), les aciers (trop lourds et limités en résistance au-delà de 500 °C) et les alliages d'aluminium (trop limités en température) ne trouvant que peu d'applications dans les turboréacteurs. Ces superalliages, durcis par précipitation, associent une aptitude remarquable à la mise en oeuvre (sur le plan des capacités à être coulés, forgés, traités thermiquement, usinés, soudés...) à des résistances mécaniques à haute température très supérieures à celles de tous les alliages métalliques. Mais, depuis une dizaine d'années, l'élaboration de nuances très chargées en éléments d’addition (donc très difficiles à homogénéiser) et à teneur en précipités durcissants élevée (au-delà de 50 %) uploads/Voyage/ sansoz.pdf