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Etude de l’influence du couplage entre les caractéristiques mécaniques et les sollicitations appliquées sur le comportement en fatigue des alliages d’aluminium.

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Le durcissement structural des alliages d'aluminium c’est l’une des solutions que les métallurgistes ont adopté pour améliorer les propriétés mécaniques des alliages d’aluminium. Mais la corrosion exfoliante et la corrosion intergranulaire dans ces alliages d'aluminium ont un processus très complexe qui peut être affecté par divers facteurs tels que la composition chimique et la microstructure de ces alliages. L'électrochimie et la distribution de la seconde phase qui gouvernent le comportement des alliages sont les principaux facteurs qui influencent de manière significative la corrosion des alliages d'aluminium. Cette étude visait à étudier quantitativement la corrosion localisée, en particulier la corrosion exfoliante (EXCO) et la corrosion intergranulaire IGC, des alliages d'aluminium 2024 T3, 7075 T6, 6082 T6 et 5083 H111 et d'étudier le mécanisme de ces deux types de corrosion en mettant l'accent sur les effets de la combinaison matériaux/milieux/sollicitations mécaniques. Trois types de géométries ont été usinés de chaque tôle pour les différents matériaux et qui ont été par la suite utilisées comme échantillons d'essai. L’analyse de l’état microstructurale a été conduite sur le premier type de géométrie, par un microscope optique (MO), un microscope électronique à balayage (MEB) couplé à un spectroscope d’énergie dispersive (EDX) et un diffractomètre des rayons X (DRX). Le deuxième type de géométrie était des éprouvettes de traction qui ont été utilisé pour discerner la dégradation des propriétés mécaniques après l’attaque de corrosion. Alors que les éprouvettes de fissuration par fatigue CT était utilisé comme troisième type de géométrie afin de corréler l’influence du couplage corrosion/microstructure sur le comportement en fatigue des différents alliages d’aluminium. La vitesse de propagation des différents matériaux, des éprouvettes pré-corrodées, de cette étude a été affectée de manière différente selon le type d’attaque et aussi selon le matériau étudié. Les alliages ayant une forme de grains plus allongée sont plus sensibles à la corrosion exfoliante (EXCO).
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Ces travaux de thèse portent sur la tenue en fatigue d’alliages Al-Si de fonderie pour des applications dans l’automobile. Ils concernent plus précisément (i) l’effet des hétérogénéités microstructurales sur la dispersion en tenue en FGNC et (ii) leurs rôles sur les effets d’échelle et de gradient de contrainte. Les hétérogénéités microstructurales caractéristiques de cette famille de matériau sont la matrice d’aluminium, les inclusions (particules de silicium, intermétalliques) et les défauts de fonderie (films d’oxyde et porosités). L’expérience montre que les pores et les oxydes sont des facteurs du premier ordre. Ils sont également responsables des effets d’échelle, de gradient de contrainte et de la grande dispersion observée. Afin de comprendre le rôle des caractéristiques de la population de défauts (densité et distribution en taille des pores), sur l’intensité de ces phénomènes, une vaste étude expérimentale avec plus de 220 éprouvettes est menée en utilisant deux alliages d’aluminium de fonderie issus de procédés de fonderie distincts (alliage A (AS7U0,5G0,3 K T7) et alliage B (AS7G0,3 PMP T7)). La principale différence entre ces deux concerne les caractéristiques de la population de défauts. Les essais de FGNC à R=0.1 sont conduits avec un seul mode de chargement. Il s’agit d’un chargement uni-axial en traction avec deux types d’éprouvettes. Des éprouvettes lisses pour la caractérisation des effets d’échelle et des éprouvettes entaillées pour la caractérisation des effets de gradient. La méthode de volume le plus contraint est utilisée dans l’analyse conjointe des deux effets.Une démarche de modélisation probabiliste pour la prédiction de la tenue en fatigue basée sur la théorie de Monte-Carlo est ensuite développée. Elle repose sur (i) la génération numérique des défauts en utilisant la loi de Poisson, (ii) l’utilisation des statistiques des extrêmes pour extraire les défauts critiques et (iii) l’utilisation du diagramme de Kitagawa-Takahashi pour générer les distributions en résistance. Cette approche conduit à des résultats en accord avec l’expérience et permet la prédiction de la limite d’endurance avec une erreur inférieure à 5% pour les différents lots.Enfin, une étude complémentaire est menée afin d’évaluer l’effet de la différence de teneur en Cu sur le comportement en fatigue. Il est prouvé que le Cu a un effet négligeable sur la tenue en fatigue dans ce cas d’étude. La même étude a permis d’analyser l’effet de microstructure sur le comportement des fissures courtes. Les résultats sont en accord avec d’autres travaux de la littérature.
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p>The present study concentrates on micro-mechanical aspects of fatigue performance in a fusion welded airframe alloy, 2024-T351. Within the overall program the initiation and growth of short fatigue cracks was studied for two forms of welding: Metal Inert Gas (MIG) and Variable Polarity Plasma Arc (VPPA). Fatigue testing has been carried out on relatively small samples in 3-point bending at constant amplitude and at a R-ratio equal to 0.1. During the tests, replication techniques were used to determine crack initiation points and crack length as a function of the number of fatigue cycles. Secondary electron and back-scattered imaging observations, in association with electron back-scattered diffraction mapping, were carried out on failed samples to determine the crack initiation sites and assess the associated microstructural interactions. Optical microscopy, differential scanning calorimetry and transmission electron microscopy studies have also been carried out to elucidate the local microstructural conditions of the different elements of the welds. Thereby a balance between aging, overaging, re-solutionising and re-precipitation has been identified across the heat affected zone. It is concluded that several fatigue crack initiation processes may occur within the welds, each with its own implications for performance/lifting. Fatigue life of the MIG welds is controlled in the fusion zone by the combined effects of interdendritic defect sizes, crack coalescence, and, to a lesser degree, residual stresses. In the VPPA case, the fusion zone presents a much finer, lower density of crack initiating defects, and although crack initiation is indeed clearly seen in the fusion zone, fatigue life then becomes limited by the high peak residual stress levels of the VPPA heat-affected zone (HAZ) and the ‘naturally occurring’ defecting population of the parent material. In the context of multiple crack interactions, a engineering micromechanical modelling has been successfully developed to predict the fatigue life of the MIG fusion zone and autogeneous VPPA HAZ (1mm crack length) as a function of the probability of initiation and the density/distribution of pores (or intermetallic particles). Semi-empirical crack growth rate approximation and a microstructural crack growth rate approach are used. First order estimates of short crack closure behaviour are used to introduce a residual stress influence on crack growth rates model.</p
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In order to explore the dependence of plasticity of metallic material on a high magnetic field, the effects of the different magnetic induction intensities ( H = 0 T, 0.5 T, 1 T, 3 T, and 5 T) and pulses number (N = 0, 10, 20, 30, 40, and 50) on tensile strength (σb) and elongation (δ) of 2024 aluminum alloy are investigated in the synchronous presences of a high magnetic field and external stress. The results show that the magnetic field exerts apparent and positive effects on the tensile properties of the alloy. Especially under the optimized condition of H ∗ = 1 T and N∗ = 30, the σband δ are 410 MPa and 17% that are enhanced by 9.3% and 30.8% respectively in comparison to those of the untreated sample. The synchronous increases of tensile properties are attributed to the magneto-plasticity effect on a quantum scale. That is, the magnetic field will accelerate the state conversion of radical pair generated between the dislocation and obstacles from singlet to the triplet state. The bonding energy between them is meanwhile lowered and the moving flexibility of dislocations will be enhanced. At H ∗ = 1 T and N∗ = 30, the dislocation density is enhanced by 1.28 times. The relevant minimum grain size is 266.1 nm, which is reduced by 35.2%. The grain refining is attributed to the dislocation accumulation and subsequent dynamic recrystallization. The (211) and (220) peak intensities are weakened. It is deduced that together with the recrystallization, the fine grains will transfer towards the slip plane and contribute to the slipping deformation.
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In this paper the results are presented of a study dealing with the solidification structure, the mechanical properties and the susceptibility to solidification cracking of GTA welds in two aluminium alloys (ASTM 1050 and ASTM 5052). It appears that the solidification structure is strongly dependent on the welding parameters, in particular the travel speed. With increasing travel speed five different types of solidification structure can be distinguished, the substructure remaining unchanged. As expected, the mechanical properties of the weld depend on its structure. More specifically, it was found that the tensile strength in the transverse direction is minimum and the elongation is maximum for welds having the stray structure. Solidification cracking occurs in welds having the centreline structure and occasionally also in welds having the axial structure and in welds having the feathery structure. The best combination of properties is obtained in the case of this stray structure.