Influence des défauts de fonderie sur la tenue en fatigue d'un alliage de titane moulé
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Abstract EN:
This study deals with the influence of casting defects on fatigue strength of an investment cast Ti 6-4 alloy. The purpose is to produce experimental fatigue data in order to quantify the effect of casting defects and identify damage mechanisms. A fatigue test specimen representative of aircraft components is determined. Then, artificial surface defects are studied in the first part of the experimental study. In a second part, shrinkages and ceramic inclusions are studied. We show that cast Ti 6-4 alloy is a pinhole tolerant material. We also show that for fatigue lives about 105 cycles, when cracks initiate at defect, initiation and propagation parts are similar. Shrinkages reduce fatigue strength by 50 % reduction : defect size is not the only parameter to take into account. The second purpose is to develop a numerical tool able to explicitly consider the defect. A multiaxial fatigue criterion based on the stress distribution around defect is used. Relevant quantities able to estimate defect influence according to their nature and size are discussed. A linear elastic and analytical implementation of this criterion gives good results. We show that is necessary to capture nature of casting defects thanks to a parameter equal to their critical size. The proposed criterion allows simulating S-N curves for different loading cases and defect sizes.
Abstract FR:
Cette étude porte sur l'influence des défauts de fonderie sur la tenue en fatigue du Ti 6-4 moulé. L'objectif est de produire des données expérimentales en fatigue afin de quantifier l'impact des défauts liés au procédé de moulage à la cire perdue et d'identifier les mécanismes d'endommagement. Après la détermination d'une éprouvette représentative des pièces réelles, la première partie de l'étude expérimentale est menée sur des défauts sphériques artificiels de surface. Dans une seconde partie, des piqûres, retassures et inclusions de céramique sont étudiées. On montre que le Ti 6-4 moulé est un matériau tolérant aux défauts de type piqûre. On montre aussi que pour des durées de vie de 105 cycles les parts d'amorçage et de propagation sont équivalentes quand la fissure s'amorce à partir d'un défaut. Les retassures induisent un abattement en contrainte de 50 % et les inclusions un abattement de 30 à 50% : la taille n'est pas le seul paramètre important. Le second objectif est de développer un outil numérique capable de prendre en compte explicitement le défaut. Un critère de fatigue multiaxial basé sur la distribution des contraintes autour du défaut est utilisé. Une discussion est menée sur les grandeurs pertinentes permettant de traduire l'influence d'un défaut selon son type et sa taille. L'application du critère implanté par voie analytique et en élasticité linéaire donne de bons résultats. Grâce aux défauts naturels, on montre qu'il est nécessaire de capter leur nature à l'aide d'un paramètre qui représente leur taille admissible. Le critère proposé permet de calculer des courbes S-N pour tout type de chargement et toute taille de défaut.