L’impact des défauts de matière sur les propriétés mécaniques

Éprouvettes a défauts contrôlés

Eprouvettes à défauts contrôlés en cours de contrôle CND (défaut au centre de la zone sollicitée).

Si la fonderie a cette capacité à intégrer des fonctions diverses (fixations, cage de roulement, conduits de circulation de fluide, ..) avec la possibilité de réaliser des formes très complexes, elle est néanmoins desservie par les défauts internes ou externes inhérents aux procédés de fabrication.

Ces défauts, très redoutés sur les pièces de structure, conduisent au mieux à l’adoption par les bureaux d’études de coefficients de sécurité (dit « Casting Factor ») et, au pire, au rejet de la solution fonderie, faute de savoir chiffrer l’impact réel des défauts ou faute d’avoir des critères qualité suffisamment précis pour en tenir compte dans les cahiers des charges fonderie.

La fabrication d’éprouvettes à défauts artificiels ou naturels

Afin de caractériser mécaniquement la matière en présence de défauts, il faut en premier lieu savoir réaliser des éprouvettes à défauts représentatifs. Deux méthodes ont été ainsi développées pour la production de défauts contrôlés. Tout d’abord la méthode dite « artificielle » qui consiste à utiliser des artifices de procédé (et là, on ne vous en dira pas plus…) pour positionner au cœur de l’éprouvette, des défauts répétables de types soufflure, retassure, cavité ou inclusion. Puis la méthode dite « naturelle » basée sur une solidification maîtrisée, et notamment utilisée pour créer des défauts de types retassure, micro-retassure ou gazage.

Pour permettre la détermination d’abattements de la tenue mécanique en présence de défauts, il est important aussi de disposer d’éprouvettes dites « de référence » exemptes de défauts.

La simulation numérique pour réaliser des défauts naturels

Pour la production d’éprouvettes à défauts naturels, une phase de mise au point est souvent nécessaire pour déterminer les conditions d’obtention des défauts. Pour cela, un plan d’expériences numérique est conduit (logiciels QuikCAST ou ProCAST) pour définir la géométrie des éprouvettes et les artifices mis en œuvre pour contrôler la solidification dans la zone ciblée du défaut à obtenir.

Cette première approche numérique permet de limiter les essais expérimentaux en fonderie. Ainsi, plusieurs jeux de paramètres peuvent être évalués et optimisés dans le but d’obtenir à la fois des éprouvettes saines de référence et des éprouvettes avec défauts.

Les défauts de retassure par exemple, seront obtenus par voie naturelle en jouant sur les paramètres thermiques locaux du moule (vitesse de solidification, distance d’alimentation, …) par adjonction d’artifices de moulage et de facteurs de forme (géométrie spécifique) au niveau des barreaux bruts.

Production et contrôle des éprouvettes

Un outillage est ensuite réalisé (d’après les spécifications établies en simulation) pour obtenir les défauts visés et une phase de validation sur un nombre réduit d’éprouvettes permet de préciser certains paramètres métallurgiques. La production des éprouvettes en grande nombre peut alors commencer. Après production, les éprouvettes sont contrôlées à 100 % (radiographie numérique ou tomographie) afin de calibrer et trier les niveaux de défauts internes obtenus en comparaison aux clichés type (ASTM E155 pour les alliages d’aluminium). Les éprouvettes seront ensuite traités thermiquement si besoin, usinées et contrôlées par ressuage pour éliminer les défauts débouchant en surface, très pénalisant pour la tenue en fatigue.

La caractérisation de la tenue mécanique

Les lots d’éprouvettes à défauts calibrés permettront ensuite d’alimenter les essais statiques (traction, résilience) à l’ambiante ou à température et des essais en dynamique (détermination courbe de Wöhler et de la limite d’endurance avec des probabilités de survie établies pour chacun des lots à 5, 50% et 95%).

Des défauts de différents type (soufflure, retassure, inclusion et gazage) ont ainsi été produits pour plusieurs matériaux (acier, fonte, aluminium et cuivreux) et leur influence sur la tenue mécanique mesurée. Le respect de la forme, de la taille et de la position du défaut interne est validé par des examens tomographiques avant et après rupture de l’éprouvette.

Impact des soufflures pour un alliage d’aluminium

Une étude statistique menée comparativement sur des éprouvettes saines et des éprouvettes contenant des défauts internes, de forme sphérique centrée (soufflures), montre que ce type de défaut impacte fortement l’allongement, moyennement la résistance à la rupture alors que la limite d’élasticité reste constante.

Les données ont été utilisées en simulation avec le logiciel MSC.MARC et un critère de rupture a pu être établi, les valeurs prévues sont proches des valeurs réelles.

Impact des défauts de type soufflure sur un alliage d'aluminium

Impact des défauts de type soufflure, pour un alliage d’aluminium, sur la limite d’élasticité, la résistance à la rupture et l’allongement.

Il est donc possible dès lors de prédire l’incidence d’un défaut de type sphérique dans un mode de traction statique, en utilisant la courbe de traction moyenne de la matrice et la géométrie de l’éprouvette dans laquelle le défaut est matérialisé par une cavité dans le maillage éléments finis.

Mesurer l’abattement sur les caractéristiques mécaniques

Connaitre avec précision l’influence du niveau de défauts sur la tenue mécanique (en statique et/ou en dynamique) présente plusieurs avantages décisifs pour les bureaux d’études des donneurs d’ordre (aéronautique, automobile, BTP, …).

En premier lieu, cette connaissance permet de minimiser les coefficients de sécurité lors de la conception des pièces avec un objectif de réduction des masses et d’amélioration des performances mécaniques. Ensuite, cela autorise des dérogations pour des pièces en présence de défauts non spécifiés dans le cahier des charges initial. Enfin, la reconstruction, à partir du fichier tomographique, de la forme exacte et précise du défaut interne permet également une exploitation en calcul de structures.

Modèles de prédiction de comportement

L’enrichissement des bases de données matériaux (matrices saines et à défaut pour divers matériaux et procédés de fonderie) se poursuit ainsi que le développement de modèles de prédiction du comportement. En particulier, sont étudiés les mécanismes physiques associés à la propagation des fissures à partir des défauts internes dans le domaine des très grandes durées de vie.

4 commentaires

  1. bart teerlinck says

    Article très intéressant !
    Et puis, il y a l’influence de défauts au niveau du K (crack propagation) …

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Bart,
      Merci pour votre avis. Effectivement, les défauts internes modifient le facteur de concentration de contraintes. Plusieurs facteurs entrent en ligne de compte: la géométrie et le diamètre des pores et enfin leur proximité avec la surface. La détermination de la courbe de Wöhler et de la limite d’endurance (sur matrice saine et sur matrice avec défauts) permet de mesurer finement l’impact de ces imperfections internes pour dimensionner les pièces avec plus de précision.

  2. Herelli says

    Article très intéressant
    Il serait intéressant aussi de compléter l’article par le dimensionnement des défauts à la limite acceptable
    Cordialement et meilleurs vœux

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Ferid, merci pour votre commentaire et meilleurs vœux également. C’est le cahier des charges du client qui spécifie les défauts acceptables en ZD (Zones Désignées) et ZND (Zones Non Désignées). La méthodologie que le CTIF a développée -et qui s’appuie sur des essais réels sur éprouvettes avec et sans défauts- permet davantage de précision dans les classes de défauts acceptables.

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