Near-threshold fatigue propagation of physically through-thickness short and long cracks in a low alloy steel

International audienceIn this paper, the near-threshold fatigue behavior of physically through-thickness short cracks and of long cracks in a low alloy steel is investigated by experiments in ambient air. Physically through-thickness short fatigue cracks are created by gradually removing the plastic wake of long cracks in compact tension specimens. The crack closure is systematically measured using the compliance variation technique with numerical data acquisition and filtering for accurate detection of the stress intensity factor (SIF) at the crack opening. Based on the experimental results, the nominal threshold SIF range is shown to be dependent on the crack length and the characteristic of the crack wake which is strongly dependent on the loading history. The effective threshold SIF range and the relation between the crack propagation rate and the effective SIF range after the crack closure correction are shown to be independent on crack length and loading history. The shielding effect of the crack closure is shown to be related to the wake length and load history. The effective threshold SIF range and the relationship between the crack growth rate and the effective SIF range appear to be unique for this material in ambient air. These properties can be considered as specific fatigue properties of the couple material/ambient air environment

Fatigue Crack Propagation in Gaseous Hydrogen Environment in Low Alloy Steel

International audienceFatigue crack propagation in low alloyed steel (3.5Ni-1.5Cr-0.5Mo-V) used for turbine generator of nuclear plant is studied under 4 bar hydrogen atmosphere in comparison to ambient air and high vacuum. Tests are conducted on CT specimens and the variation of the fatigue crack growth rate da/dN with respect to the amplitude of the applied stress intensity factor ΔK is explored in a wide range and especially in the near threshold domain. The propagation behaviour under hydrogen atmosphere is shown similar to that obtained in air in the low rate range, i.e. when the maximum of the stress intensity factor Kmax is lower than a critical level of 16 MPam1/2 with higher crack growth rate than in high vacuum. This environment effect is related to the presence of residual water vapour in both gases. For Kmax higher than 16 MPam1/2, much faster growth rates under hydrogen atmosphere in comparison to air and vacuum are observed and related to hydrogen assisted intergranular propagation combining fatigue and sustained loading damage. The results are discussed on the basis of micrographic observations supporting the involved mechanisms

Modélisation sous Abaqus de la fermeture de fissures courtes dans un acier inoxydable 304L

La connaissance précise du comportement d'une fissure courte est nécessaire pour comprendre la propagation des fissures de faïençage thermique dans les structures nucléaires. La présente étude porte sur l'influence, sur les cinétiques de propagation, de la fermeture induite par plasticité. Une approche numérique sous Abaqus, en 3D, avec un front de fissure droit ou courbe permet de retrouver des résultats expérimentaux mettant en évidence des vitesses de propagation supérieures pour des fissures courtes

Fissuration par fatigue et ténacité d'alliages d'aluminium 2xxx à 223K

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 -50C) 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.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.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Fissuration par fatigue d'alliages d'aluminium au lithium de troisième génération

Cette thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude de la tolérance au dommage des alliages légers utilisés dans l'industrie aéronautique et porte sur la résistance à la fissuration par fatigue d'alliages d'aluminium au lithium de troisième génération. Dans ce contexte, trois nuances d'alliages Al-Cu-Li ont été considérées, qui jouent principalement sur les teneurs respectives en lithium et en cuivre. Sur la base d'essais de propagation à l'air et sous vide, d'observations en microscopie électronique à balayage et d'analyses EBSD, il est montré que la résistance à la propagation est fortement déterminée par les mécanismes de glissement des dislocations mis en jeu en pointe de fissure. Il ressort notamment qu'une localisation de la déformation favorisée par les précipitations spécifiques à ces alliages privilégie, dans le domaine des vitesses inférieures à 10-7 m/cycle, le développement d'un mode de fissuration transgranulaire à caractère cristallographique, ayant un double effet : une résistance à la fissuration accentuée en l'absence d'assistance de l'environnement (vide ou exposition réduite à la vapeur d'eau) conduisant à des seuils élevés, ou bien une accélération de la fissuration près du seuil avec une forte réduction du seuil sous atmosphère ambiante, attribuée à une assistance de l'hydrogène. Une modélisation intégrant les différents mécanismes de fissuration en fonction du couple environnement-microstructure et en tenant compte des interactions entre la fermeture et les effets d'environnement est proposée pour décrire une loi effective. Une modélisation 2D de la fermeture induite par plasticité ouvre une piste pour une simulation quantitative de l'influence de ce facteur dans le domaine des vitesses intermédiaires. Des essais sous chargements d'amplitude variable permettent d'évaluer l'applicabilité de la loi effective pour la prédiction, à l'aide d'un modèle industriel, des durées de vie dans des structures aéronautiques.This PhD thesis comes within the scope of studying the damage tolerance properties of light alloys used in aeronautics, and deals with the resistance against fatigue crack propagation of third generation aluminium lithium alloys. Three Al-Cu-Li alloys with different lithium and copper content were considered. Based on crack propagation tests in ambient air and in vacuum, SEM examinations and EBSD analysis, the resistance against fatigue crack propagation is shown to be highly depending on dislocations gliding processes at the crack tip. Particularly, the specific shearable precipitation of these alloys induces strain localization, favouring a double-acting transgranular crystallographic propagation mechanism for growth rates lower than 10-7 m/cycle : an enhanced resistance against crack propagation in the absence of environment assistance (vacuum or reduced water vapour exposition) leading to high thresholds, or an acceleration in the growth rates in the near-threshold domain with a strong threshold lowering, attributed to an hydrogen assistance. An analytical modelling of an effective crack propagation law is proposed by taking into account the different crack propagation mechanisms according to the environment/microstructure couple and regarding to the crack closure and environment effect interactions. A finite element modelling of 2D plasticity induced crack closure gives a lead to a quantitative simulation of the influence of this phenomenon in the mid growth rates regime. Variable amplitude loading tests were also performed to evaluate the applicability of the proposed effective law for the prediction of aeronautical structures life times with an industrial model.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Propagation par fatigue des fissures physiquement courtes dans un acier inoxydable de type 304L (rôle de la fermeture et de la plasticité)

Dans la problématique de l'étude du comportement en fatigue thermique d'un réseau de faïençage pour les composants de centrale nucléaire, la connaissance de l'évolution du seuil nominal de non propagation d'une fissure de faible profondeur dans l'acier inoxydable 304L est nécessaire. Cette étude s'est attachée à déterminer l'évolution de ce seuil, dans le cas d'une fissure physiquement courte d'une longueur supérieure à 0,1 mm, cas dans lequel les principes de la mécanique linéaire de la rupture sont applicables. Une attention toute particulière a été apportée sur l'évolution de la fermeture qui induit cette évolution. Le développement d'outils informatique performants a permis d'automatiser cette mesure et de faire apparaître des boucles d'hystérésis. Les résultats obtenus ont mis en évidence un effet fissure courte pour les longueurs inférieures à 0,5 millimètres que ce soit à R=0,1 ou R=0,7 à température ambiante, et inférieures à 0,8 mm à 300C à R=0,1. L'étude numérique a permis de mettre en évidence une fermeture par remise en contact des lèvres de la fissure pour les deux rapports de charge 0,1 et 0,7 en contraintes planes mais pas en déformations planes contrairement aux matériaux classiques qui ne présente pas de remise en contact à R=0,7. Ces calculs nous ont permis également d'interpréter les boucles d'hystérésis induite par la plasticité locale associé à un effet rochet. Une loi puissance entre la vitesse de fissuration et la partie effective du chargement où il y a déformation plastique en pointe de fissure, Keff,pl a été introduite. Cette loi a été validée pour les deux rapports de charge étudiés dans le cas des fissures longues ou physiquement courtes.The behaviour of 2D physically short cracks has been studied for an austenitic stainless steel type A304L. Experimental fatigue tests have shown an increase of the threshold fatigue range when the crack length is increasing from 0.1 to 0.8 mm. This effect is explained in term of crack closure variation. The numerical simulation by mean of finite elements supports such an effect of crack closure when computing is performed in plane stress at R=0.1 and R=0.7. Such behaviour is typical for a material characterized by an isotropic and cinematic constitutive cyclic hardening law. The local plasticity effect is shown to control the crack growth rate and has been related to an effective plastic intensity factor range.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Contributions of internal hydrogen and room-temperature creep to the abnormal fatigue cracking of Ti6246 at high Kmax

This study aims at explaining the absence of a threshold for crack propagation in an α/β titanium alloy during cyclic tests performed with constant Kmax and increasing Kmin, if Kmax is higher than 60–70% of KIc. Tensile, creep as well as fatigue crack growth tests are performed on specimens with various hydrogen content. SIMS analyses of hydrogen content around the tip of a crack developed in the abnormal regime are made. Solute hydrogen is shown to segregate at the crack tip and to enhance room-temperature creep, strain localisation and decohesion along α/β interfaces

Endommagement sous chargement cyclique avec temps de maintien de l'alliage de titane Ti-6242 ( rôle de l'hydrogène interne)

Cette thèse vise à améliorer la compréhension du phénomène appelé dwell-effect , observé sur la plupart des alliages de titane, consistant en une chute de durée de vie en fatigue suite à l introduction de temps de maintien à la charge maximale du cycle de fatigue. Cette étude a permis de montrer que ce phénomène résulte d un amorçage plus précoce et d une fissuration plus rapide sous chargement de fatigue-dwell. Les analyses menées sur les éprouvettes de fatigue et de fluage ont révélé que l activation de glissements basal ou pyramidal peut être à l origine d un endommagement interne par formation de cavités. De plus, cette étude montre que l hydrogène interne, dans la gamme de teneurs 30-300 ppm, a un effet bénéfique sur les durées de vie, sans pour autant modifier les mécanismes de déformation et d endommagement. Pour une teneur inférieure à 150 ppm, cet effet bénéfique peut être expliqué par l augmentation de la limite élastique avec la teneur en hydrogène ; au-delà de cette teneur, l accroissement de la limite d élasticité ne suffit plus à expliquer l effet bénéfique de l hydrogène sur les durées de vie en fatigue. Les différents essais de fissuration ont montré que l augmentation de la vitesse de fissuration sous air sous chargement de fatigue-dwell est le résultat de la combinaison des effets néfastes de l environnement et de l hydrogène interne. Le rôle exact de l hydrogène reste à préciser mais il pourrait être à l origine de la formation de micro fissures dans les zones de forte triaxialité de contraintes. Des analyses par micro empreintes montrent que l hydrogène passe de la phase b à la phase a au niveau des bandes de glissement, via les dislocations. Enfin, l intégration des lois de fissuration permet de reproduire convenablement l évolution de la longueur d une entaille au cours d essais de fatigue.This study focuses on the dwell-fatigue behaviour of a beta-forged Ti-6242 alloy. The dwell-effect, phenomenon observed on most of titanium alloys, consists in a fatigue-life decrease after the introduction of hold periods at the maximum stress level. Firstly, this study shows that the dwell-effect results from both earlier fatigue-crack initiation and faster crack propagation. The analyses conducted on the fatigue and creep specimens reveal an internal damage consisting in micro voids nucleation along shear bands resulting from either basal or pyramidal slips. Moreover, tests conducted on hydrogen-charged specimens until 300 ppm show that internal hydrogen has a beneficial effect on fatigue-life without changing the damage mechanism. However, for hydrogen content below 150 ppm, this beneficial may be explained by the increase in yield stress with the increasing hydrogen content, but for hydrogen content over 150 ppm, the increase in yield stress is not sufficient to explain the increase in fatigue-life. Crack growth tests reveal faster crack propagation under dwell-fatigue loading. This increase in crack growth rate results from a combination of deleterious effects of environment and internal hydrogen. The role of internal hydrogen needs more analyses to be clearly established but the internal hydrogen could be responsible of the nucleation of micro cracks in the main crack tip area.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale et modélisation numérique de la fermeture de fissures longues et courtes dans un acier inoxydable 304L

Cette thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude de la dégradation par fatigue des structures nucléaires. Dans un premier temps, des essais de propagation d'une fissure longue par fatigue ont été menés sur des éprouvettes CT et SENT, dans l'acier inoxydable austénitique 304L, pour différentes conditions d'essai. Les influences d'une pré-déformation initiale ainsi que l'histoire du chargement sur le niveau de fermeture ont ainsi été mises en évidence et quantifiées. La comparaison d'essais sous air et sous vide a également permis de confirmer les effets d'environnement. Un second volet expérimental a porté sur la propagation d'une fissure courte pour différentes amplitudes constantes du facteur d'intensité de contraintes, avec un rapport de charge R = 0,1, sous air. La fermeture a été mesurée pour différentes longueurs de fissure obtenues par usinage progressif du sillage plastique puis par propagation d'une fissure courte 2D. Une méthode de détermination automatique du niveau de fermeture a été mise en place, permettant une détection précise pour des longueurs de fissure minimales de 0,1 mm. L'influence prépondérante de la longueur de la fissure sur la fermeture a ensuite été identifiée. Des calculs tridimensionnels par éléments finis ont ensuite été réalisés sur le code ABAQUS, avec prise en compte du sillage plastique et de la fermeture par plasticité. Les essais numériques ont permis de retrouver, en les expliquant, les différents résultats expérimentaux précédemment obtenus.This PhD thesis focuses on the study of the deterioration by fatigue of the structure components in nuclear plants. Firstly, crack propagation tests of a long crack were performed on 304L stainless steel with CT and SENT specimens in order to explore and quantify the effect of prestrain and loading history on crack closure. The effect of environment was also confirmed by the comparison of the results from crack propagation in air and vacuum. Secondly, propagation tests of a through-thickness short crack were performed with different constant levels of stress intensity factor range DK under a stress ratio R = 0.1 in air. Crack closure was measured at different crack lengths obtained from progressive machining of the plastic wake then from successive propagation of the short crack. The influence of crack length on crack closure was characterized. A numerical tool was developed to detect automatically crack closure precisely both for long crack and even for 0.1mm-short crack. Three dimensional numerical models were performed in ABAQUS to simulate the plasticity-induced crack closure with account of the effect of plastic wake. The present numerical model reproduces accurately all the experimental results.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Micromechanical investigation of the abnormal cracking of Ti6246 at high mean stress

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