Fissuration par fatigue et ténacité d'alliages d'aluminium 2xxx à 223K
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Abstract EN:
The aim of this thesis deals with a study of the mechanisms governing fatigue crack propagation in 2xxx (Al-Cu-Mg) aluminum alloys used in plane wings under environment conditions simulating service life. A new experimental set up has been designed allowing testing under selected atmospheres - high vacuum, ambient air, dry air, cold dry air with controlled residual humidity and temperature (down to 223K) - simulating conditions of a cruise at an altitude of 10 km. An enhanced environmental effect has been put in light for naturally aged alloys with growth rates 20 times lower at 223K than at room temperature. Conversely, no effect has been observed for peak aged temper. These effects are related to a crystallographic crack path favored by low temperature and dry air in the naturally aged temper, which induces much slower rates resulting from the barrier effect of grain boundaries and associated crack deviation and deflection. Transmission electronic microscopic observations support a localization of the plastic deformation along a single slip system within each individual grain in front of the crack tip. The different mechanisms associated to the different environments are described by the mean of a frame work previously established for Al alloys at room temperature. Finally, a cohesive zone modeling is proposed to describe the crack propagation behavior of Al alloys in ambient air. Simulations are shown in good agreement with experiments. On the side of industrial applications, these results offer a possible extension of fatigue life estimation for high altitude cruise when using naturally aged alloys.
Abstract FR:
Cette thèse concerne l'étude des mécanismes de propagation des fissures de fatigue dans des alliages légers type 2xxx (Al-Cu-Mg) utilisés pour les intrados d'ailes d'avions. Un nouveau dispositif expérimental a été réalisé pour conduire des essais sous divers environnements - vide secondaire, air ambiant, air sec (point de rosée de -50°C) et air sec et froid – en opérant sous humidité résiduelle et température simulant l'atmosphère à une altitude de 10 Km. Un effet important de l'environnement a été mis en évidence sous air froid avec des vitesses de fissuration 20 fois plus lentes qu'à l'air ambiant sur les alliages mûris à l'ambiante. Par contre aucun effet n'est observé sur les alliages revenus au pic de dureté. Ces effets sont reliés à un chemin de propagation de nature cristallographique favorisé par les environnements très secs dans les états sous revenus qui génère des propagations ralenties induites par les effets de barrières aux joints de grain conjugués à des déviations et branchements des fissures. Les observations par microscopie électronique en transmission montrent une localisation de la déformation dans un système de plans de glissement unique dans chaque grain le long du front de fissure. Les mécanismes associés aux différents environnements sont décrits à l'aide d'un modèle préexistant pour les alliages métalliques. Finalement, un modèle de zone cohésive est développé pour décrire la propagation des fissures de fatigue dans les alliages légers à l'ambiante. Les simulations s'avèrent en bon accord avec les résultats expérimentaux. Sur le plan industriel, ces résultats montrent la possibilité d'accroître les estimations de durées de vie pour les vols à haute altitude en utilisant des alliages vieillis naturellement.