Modèle incrémental de prévision de la durée de vie en ...

THÈSE DE DOCTORAT EN MECANIQUE ET MATERIAUX        PRESENTEE PAR    Monsieur RUIZ‐SABARIEGO Juan‐Antonio      POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR                                                            DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE        Modèle incrémental de prévision de la durée de vie en fissuration par fatigue Traitement des cycles complexes anisothermes en fatigue-oxydation        Thèse soutenue au LMT Cachan le 11 janvier 2008 devant le jury composé de :    Véronique Doquet  Directrice de Recherche à l’Ecole Polytechnique             Rapporteur  Gilbert Hénaff  Professeur à l’ENSMA Poitiers  Ra  Anthony Gravouil  Professeur à l’INSA Lyon                                                    Examinateur  Jean‐Jacques Marigo          Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie                Examinateur  Arnaud Suffis  Docteur ‐ Ingénieur Méthodes Snecma   Examinateur  André Pineau  Professeur à l’Ecole des Mines de Paris  Président du jury  Sylvie Pommier  Professeur à l’ENS de Cachan  Directrice de thèse    Laboratoire   de Mécanique et de Technologie (UMR 8535) (ENS Cachan/CNRS/UPMC/PRES UniverSud Paris)  61, avenue du Président Wilson, 94230 CACHAN CEDEX (France)      Remerciements  Simplement, j’adresse tout d’abord mes remerciements à Pierre LADEVEZE ainsi qu’à son successeur Olivier ALLIX, directeurs du LMT Cachan, pour m’avoir accueilli au sein de leur laboratoire. Je remercie également le secteur matériau de m’avoir accueilli ainsi que son nouveau responsable, François HILD, pour sa disponibilité et ses précieux conseils. Je suis fier d’avoir pu côtoyer pendant ces années de thèses de grands chercheurs à la renommée internationale. Evidemment, merci à tous les membres du labo et à mes potes thésards, je pense en particulier à Hellie, Eleonore, Emmanuelle, Marion, Yogui, Jeff, mais aussi à Boubou, mi amigo, avec qui j’ai passé des moments de rigolade inoubliables. Viens le tour de Snecma, chez qui je tiens à remercier Olivier SGARZI pour m’avoir accueilli au sein du Département Méthodes. Merci à Bertrand BURGARDT et à Nicolas COSME pour avoir été mes interlocuteurs industriels et pour s’être intéressé à mon travail. Je remercie également Marjolaine GRANGE, Jean-Marc RONGVAUX et Pascal BROSSIER pour leur aide concernant les aspects matériaux et les aspects expérimentaux. Merci à Christophe ROYAL et Vincent CHRISTAUD, qui ont assuré l’aspect intégration informatique à Snecma. Ensuite je tiens à saluer toute l’Unité de Durée de Vie, Arnaud, Yolande, François, Fabien, Hacene; leur bonne humeur et leur accueil chaleureux ont largement facilitée mon intégration dans l’équipe. J’ai une pensée toute particulière pour Didier SORIA qui depuis le début de l’aventure a répondu présent et m’a fait partager toute son expérience. Merci Didier pour ta gentillesse et ta disponibilité, ne change rien. Rien de ce travail n’aurait évidemment jamais vu le jour sans Sylvie POMMIER, merci Sylvie pour ces années passées à tes côtés. Merci de m’avoir transmis autant de connaissances, d’avoir été si disponible et d’avoir sans cesse défendu mon travail. Merci de m’avoir fait confiance depuis le début et de m’avoir ouvert les portes du monde du travail. Indiscutablement, je pense aujourd’hui à mes amis d’enfance, ceux de ma Provence natale, ceux avec qui j’ai grandi. Il n’y a pas de Juan sans Julien ni Jérôme. Il n’y a pas de Julien sans Christelle ni de Jérôme sans Caro. Merci pour tous ces moments passés ensemble et pour votre soutien permanent. Spéciale dédicace aux membres fondateurs du Comité Pills, Alexis, Nono et Isam. Viva Comité ! Non, je n’oublie pas ma famille, mes parents, mes grands frères Arnaud et Jose et ma sœur Loli, ils ont toujours cru en moi et leur soutien aura été sans faille. Loin des yeux mais pas du cœur. Enfin, il y a celle avec qui je partage ma vie depuis 11 ans, celle qui a pris soin de moi au quotidien durant toutes ces années d’études. Celle avec qui tout a commencé ... et pour qui tout commence …   A mi abuela        Table des matières  Table des matières      Introduction                                                                                                                              1  Chapitre 1  Contexte industriel de l’étude et objectifs de la thèse  1.1. Problématique industrielle  5    1.1.1. Principe de fonctionnement d’un turboréacteur  5  1.1.2. Durée de vie des pièces critiques de turboréacteur chez Snecma  7  1.2. La chaîne de calcul de durée de vie en fatigue  9    1.2.1. Architecture de la chaîne de propagation 2D  9  1.2.2. Calcul EF thermo‐mécanique  10  1.2.3. PREPROPAG, notion de « barreau » équivalent  11  1.2.4. PROPAG, calcul de l’avancée de fissure  12    1.2.4.1. Le modèle PREFFAS d’extraction de cycles  13  1.2.4.2. Traitement des cycles anisothermes  15  1.2.4.3. Loi de propagation de fissure en fatigue‐fluage  16  1.3. Cahier des charges de l’étude  19  1.4. Bilan  20      Chapitre 2  Matériau de l’étude, le N18  2.1. Aspects métallurgiques, mise en forme  22    2.1.1. Composition  22  2.1.2. Microstructure  23  2.1.3. Elaboration du disque de turbine HP  24  2.2. Caractéristiques mécaniques  27    2.2.1. Propriétés en traction  27  2.2.2. és en fluage  29  2.3. Loi de comportement  30    2.3.1. Loi de comportement Snecma pour le N18  30  2.3.2. Loi de co « simplifiée »  33  2.4. Bilan  38  Table des matières  Chapitre 3  Le modèle incrémental  3.1. Présentation du modèle  40  3.2. Etude des champs de déplacements en pointe de fissure.  41    3.2.1. Hypothèse de partition du champ de déplacement  41  3.2.2. Méthode employée  42  3.2.3. Vérification de la validité de cette hypothèse.  45  3.3. Equations d’évolution du modèle  50    3.3.1. Loi de fissuration  51  3.3.2. Loi d’émoussement  52  3.3.3. Interprétation des paramètres  55  3.3. Etude de sensibilité à la loi de comportement du matériau  60    3.3.1. Comportement élasto‐plastique parfait  61  3.3.2.  élasto‐pl avec écrouissage cinématique non linéaire  64  3.4. Bilan  69      Chapitre 4  Les effets de l’environnement sur la fissuration par fatigue  4.1. Travaux pionniers  73    4.1.1. Effets de l’environnement sur la limite d’endurance.  73  4.1.1.1. Essais de fatigue en atmosphère humide  73  4.1.1.2. Influence de la microstructure et identification des espèces actives  74  4.1.1.3. Effet de la pression  75  4.1.2. Effets de l’environnement gazeux sur la fissuration par fatigue  76  4.1.2.1. Effets de   76  4.1.2.2. Effet de la pression partielle  76  4.1.2.3. Effet du rapport de charge  77  4.1.2.4. Observation des faciès de rupture  78  4.2. Modélisation des mécanismes physico‐chimiques en vue de la prévision de la vitesse de                                                                   fissuration par fatigue sous air.  79    4.2.1. Les débuts de la modélisation  79  4.2.2. Fragilisation par l’hydrogène  81  4.2.2.1. Modèles d’adsorption (cas des  alliages de titane)  81  4.2.2.2. Modèles de diffusion (cas de la fragilisation des aciers)  87  4.2.3. Fragilisation par l’oxygène (cas des alliages base de nickel)  87  4.3. Les effets de l’environnement sur la fissuration par fatigue sous air du N18  90    4.3.1. Effet d’un temps de maintien  91  4.3.2. Effet de forme de cycle  93  4.3.3. Effet de décharge en début de cycle  94  4.4. Bilan  96  Table des matières  Chapitre 5  Evolution du modèle pour la prise en compte des effets d’oxydation   5.1. Démarche de modélisation  98  5.2. Modèle de passivation/dépassivation  99    5.2.1. Modèle construit à partir de la loi de Fick  99  5.2.2. Modélisation à partir d’exponentielles  104  5.3. Méthodologie d’identification de la loi de fatigue‐oxydation  107    5.3.1. Ajustement du paramètre  α  108  5.3.2. Identification des paramètres de passivation/dépassivation  β, K β et K ρ  109  5.3.3. ication du paramètre de décharge mécanique Kdech  111  5.4. Simulation des essais complexes de type HCF/LCF  113  5.5. Bilan  117  Chapitre 6  Traitement des cycles complexes anisothermes  6.1. Effet de la température sur la loi de fissuration par fatigue‐oxydation  120    6.1.1. Identification des paramètres de la loi d’émoussement en fonction de la température.  120  6.1.2. ication des  de la loi de fissuration en  de la   123  6.1.2.1. Activation thermique  127  6.1.2.2. Comportement de la couche d’oxyde  128  6.2. Validation  131    6.2.1. Température intermédiaire, SlowFast et FastSlow à 575°C  131  6.2.2. Essais anisothermes  132  6.2.2.1. Modèle EF  132  6.2.2.2. Identification en CP  134  6.2.2.3. Simulation et discussion  136  6.3. Bilan  138  Chapitre 7  Validation industrielle  7.1. Implémentation de la méthode incrémentale dans PROPAG  139  7.2. Simulation d’essais sur éprouvettes ETRAB80 en N18  141    7.2.1. Modélisation EF  141  7.2.2. Corrélations et comparaison avec la loi Snecma  142  7.3. Simulation d’essais sur disques simulacres  149    7.3.1. Modélisation EF  150  7.3.2. Corrélations et comparaison avec la loi Snecma  151  7.4. Bilan  154  Table des matières  Conclusions et perspectives                                                                                                155    Annexes                                                                                                                       Bibliographie      Introduction      Introduction         Le  travail  de  thèse  présenté  dans  ce  rapport  a  été  réalisé  en  collaboration  avec  l’équipementier  aéronautique  Snecma,  filiale  du  groupe  SAFRAN  et  le  Laboratoire  de  Mécanique  et  Technologie  de  Cachan.  Cette  étude  s’inscrit  dans  deux  programmes  de  recherche  regroupant  l’industriel  et  d’autres  grands  organismes