Soutenance mémoire
Dans le contexte économique actuel, la réduction de consommation des avions commerciaux est une priorité pour les constructeurs. Les progrès effectués ces dernières années dans le domaine des alliages d’aluminium en font des matériaux de structure privilégiés pour alléger les constructions aéronautiques. Dans cette optique, les alliages d’Al-Li présentent des propriétés très intéressantes puisqu’ils associent de bonnes caractéristiques mécaniques avec une densité plus faible que pour un alliage d’aluminium conventionnel.
MATÉRIAU AL-LI
Petit Historique Des Alliages Al-Li
Suite à l’embargo des années 70 sur le pétrole, les industriels de l’aéronautique se sont penchés sur le problème des matériaux à faible densité afin de réduire le poids donc la consommation des avions. Le lithium présente plusieurs caractéristiques favorables lorsqu’il est associé à l’aluminium : non seulement il réduit la densité de l’alliage, mais de plus il augmente son module d’élasticité. Il présente donc une solution intéressante quant au problème de réduction de poids en gardant les mêmes propriétés mécaniques. C’est ainsi qu’entre la fin des années 70 et le début des années 80 beaucoup d’études ont été faites sur les alliages aluminium-lithium afin d’en accroître les performances, et leur utilisation a été développée. Les premiers travaux sur ces alliages (alliages de 1 ère génération) ont été réalisés à partir du milieu des années 1920 (teneur en lithium de 1 à 2,4% en masse). Les premières compositions n’ont pas été présentées avant 1945. Et c’est en 1958 que l’alliage 2020 fit son apparition pour la première fois sur des avions militaires. Pendant plus de 20 ans, aucune apparition de fissure ni de corrosion n’a été détectée. Entre la fin des années 70 et le début des années 80, de nouveaux produits sont apparus sur le marché (alliages de 2nde génération avec une teneur en lithium de 2%) avec des caractéristiques non souhaitées par les constructeurs aéronautiques. Malgré des densités faibles, un grand module d’élasticité et une grande résistance à la fatigue, ces alliages avaient des propriétés mécaniques indésirables : une faible ténacité et une forte anisotropie de ces propriétés. Pour les alliages d’aluminium, en général le module de Young est compris entre 69000 et 70000 MPa. Or pour les alliages d’aluminium contenant du lithium, il est un peu supérieur à ces valeurs, à savoir environ 6% plus important par pourcentage de lithium [1]. Si bien qu’entre la fin des années 80 et le début des années 90, la concentration en lithium des alliages a diminué (entre 1 et 1,8%) [1].
Anisotropie Des Propriétés Mécaniques Des Alliages Al-Li
Les alliages Al-Li sont connus pour être fortement texturés et avoir une forte anisotropie des propriétés mécaniques [2][3]. Des études montrent que des réductions dans l’intensité de la texture cristallographique mènent à une réduction de l’anisotropie de l’alliage [1][4]. Cette texture cristallographique peut être réduite par:
• une recristallisation pendant le traitement de mise en solution ,
• une recristallisation à une étape intermédiaire du laminage [5],
• une réduction du nombre de passes de laminage [1].
Le survieillissement des alliages réduit également l’anisotropie [6]. De même l’étirement ou le laminage à froid incliné par rapport à la direction de laminage à chaud avant le vieillissement réduit l’anisotropie [1][7]. D’autre part la forme des grains dans le matériau joue un rôle dans cette anisotropie puisque d’après une étude sur un Al-Li 8090, le type de rupture (trans- ou intergranulaire) dépend de la forme des grains [8]:
• Lorsque les grains sont allongés, la rupture est plutôt intergranulaire,
• Lorsque les grains sont équiaxes, la rupture est plutôt transgranulaire.
Ceci nous amène à comprendre ce qui fait que la rupture est plutôt inter ou transgranulaire.
MÉCANISMES LOCAUX D’ENDOMMAGEMENT
Il est utile dans cette partie de faire appel à la mécanique de la rupture. En effet cette partie de la mécanique a pour objet l’étude de la tenue mécanique des structures contenant une discontinuité : un défaut ou une fissure. Elle permet, entre autres, de :
• caractériser les champs de contraintes et de déformations autour de la discontinuité;
• prévoir, en fonction des dimensions d’une fissure et de l’état de chargement, la dimension à partir de laquelle cette fissure peut entraîner une rupture brutale. L’observation de la morphologie des cassures peut nous renseigner sur la (ou les) cause(s) de la rupture et sur la façon dont la rupture s’est réalisée. Voici donc un petit rappel des faciès de rupture.
Faciès De Rupture
Il existe grossièrement 3 faciès de rupture :
• Faciès de rupture ductile (inter- ou transgranulaire),
• Faciès de rupture intergranulaire (rupture fragile ou ductile),
• Faciès de rupture par clivage (fragile).
La rupture à faciès ductile est le résultat de la croissance de cavités amorcées sur des inclusions, précipités ou autres défauts à l’échelle microscopique (germination ou amorçage) ne se déformant pas à la même vitesse que la matrice. Au fur et à mesure que la déformation augmente, la taille des cavités augmente (croissance) et la distance entre deux cavités diminue, jusqu’à atteindre une valeur critique à partir de laquelle les deux cavités coalescent (Figure I.1) [9] [10]. Macroscopiquement, le faciès de rupture a un aspect fibreux. Microscopiquement, on observe des cupules correspondant à chaque cavité dans lesquelles peuvent subsister les morceaux d’inclusions dont elles sont issues. Le mécanisme de rupture ductile est donc essentiellement un phénomène de déformation plastique qui survient quand la déformation atteint une valeur critique. Il est assez difficile de déterminer le mode de rupture d’une pièce car de nombreux facteurs entrent en jeu: température, vitesse de déformation, structure du matériau, taux de triaxialité des contraintes. Le faciès de rupture n’est en général pas unique et les 3 modes peuvent se combiner: on peut donc avoir globalement une rupture ductile avec localement une zone de rupture à caractère fragile.
La rupture intergranulaire apparaît, comme son nom l’indique, aux joints de grains fragilisés par une accumulation d’impuretés ou d’inclusions. Ce mode de rupture peut être fragile ou ductile. S’il est fragile, la rupture suit les joints de grains avec des déformations locales très réduites. Si au contraire il est ductile, il y a présence de cupules qui se sont formées sur les particules rassemblées dans les joints (rupture ductile intergranulaire). Le clivage est un mode de rupture qui se propage le long de plans cristallographiques denses. Macroscopiquement, la rupture a un aspect brillant avec des facettes correspondant aux grains. Microscopiquement, l’aspect est assez lisse avec quelques « rivières » qui correspondent à un plan de rupture incliné par rapport au plan de clivage et amorçage sur plusieurs plans denses. Ce mode de rupture nécessite une contrainte locale très élevée (de l’ordre du dixième du module de Young), qui ne peut en principe pas être atteinte dans les matériaux avec une structure CFC (comme l’aluminium) qui ont suffisamment de plans de glissement pour que les contraintes soient relaxées. On ne devrait donc pas voir de clivage sur nos faciès de rupture [9][10].
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Bibliographie matériau et endommagement
I Matériau Al-Li
I.1 Petit historique des alliages Al-Li
I.2 Anisotropie des propriétés mécaniques des alliages Al-Li
II Mécanismes locaux d’endommagement
II.1 Faciès de rupture
II.2 Rupture intergranulaire
II.3 Rupture ductile
II.3.a Approche locale
II.3.b Amorçage, propagation stable et instable de fissures
III Conclusion
Chapitre II : Matériau et techniques expérimentales
I Le matériau
II Caractérisation du matériau sain
II.1 Mesure de dureté
II.2 Observations et mesures au microscope optique
II.3 Taille des grains
II.3.a Taille des grains sur DN
II.3.b Taille des grains sur DL et DT
III Caractérisation mécanique
III.1 Traction
III.1.a Éprouvettes de traction
III.1.b Indicateur de ductilité en traction uniaxiale
III.1.c Essais de traction sur éprouvettes non-entaillées
III.2 Loi de comportement
IV EBSD
IV.1 Préparation des échantillons
IV.2 Informations délivrées par l’analyse EBSD
IV.2.a Angles d’Euler
IV.2.b Cartographies
IV.2.c Tableaux de distribution
IV.2.d Figures de pôle
IV.3 Notre matériau
V Caractérisation de l’endommagement
V.1 Observation des faciès
V.1.a Observation du faciès de rupture de l’éprouvette d’épaisseur 2mm tractionnée
suivant DL
V.1.b Observation du faciès de rupture de l’éprouvette d’épaisseur 2mm tractionnée
suivant DT
V.1.c Observation du faciès de rupture de l’éprouvette d’épaisseur 2mm tractionnée
suivant D45
V.2 Comparaison des 3 faciès de rupture
VI Conclusion des premières observations
Chapitre III : Implémentation d’une méthode de champ
I Choix de la méthode
II Principe de la méthode de grille
II.1 Évaluation de la phase
II.2 Déroulage de phase
II.2.a Déroulage de phase dépendant du chemin de balayage
II.2.b Déroulage de phase indépendant du chemin de balayage
II.2.c Déroulage de phase temporel
III Définition des principales grandeurs métrologiques nécessaires
IV Développement de la méthode de grille
IV.1 Dimensions caractéristiques de nos essais
IV.2 Essai préliminaire par méthode de grille classique
IV.2.a Traitement des images
IV.2.b Bruit
IV.2.c Mise en évidence des défauts de la grille
IV.2.d Effets des post-traitements sur la résolution et la résolution spatiale
IV.2.e Conclusion et amélioration à apporter
V Méthode de la grille avec vidéo
V.1 Machine de traction
V.2 Réalisation physique de la grille
V.3 Bruit et défauts de la grille
V.4 Traitement des vidéos
V.5 Optimisation de la mesure
V.5.a Optimisation du couple filtrage/dérivation
V.5.b Déroulage de phase temporelle
V.6 Conclusion
Chapitre IV : Résultats expérimentaux
I Fissuration
I.1 Mesures de champs
I.2 Mode de propagation
I.2.a définition des systèmes de glissement
I.2.b Chemin de fissuration
I.3 Taille critique de volume sollicité
II Conclusion
Chapitre V : Conclusion générale
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