La conception optimale des composants introduit la nécessité de suivre les matériaux qui les composent tout au long de leur vie. Le présent travail illustre par une série d'exemples sur les alliages métalliques (aluminium, nickel, titane) le rôle joué par le vieillissement et la précipitation sur le comportement et la rupture, et comment ils doivent être pris en compte dans les chaînes de calcul

Appolaire, Benoît

Cailletaud, Georges

Cormier, Jonathan

HAL-MINES ParisTech

Pre´cipitation dans les structuresGeorges Cailletaud, B. Appolaire, J. CormierTo cite this version:Georges Cailletaud, B. Appolaire, J. Cormier. Pre´cipitation dans les structures. 11e`me Col-loque National en Calcul des Structures, May 2013, GIENS, France. <hal-01058603>HAL Id: hal-01058603https://hal-onera.archives-ouvertes.fr/hal-01058603Submitted on 27 Aug 2014HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. 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Le présent travail illustre par une série d’exemples sur les al-liages métalliques (aluminium, nickel, titane) le rôle joué par le vieillissement et la précipitation sur lecomportement et la rupture, et comment ils doivent être pris en compte dans les chaînes de calcul.Mots clés — Chaîne de calcul, couplage procédés-propriétés d’emploi, vieillissement, précipitation,conception intégrée, liaison microstructure-propriétés.1 IntroductionL’ambition née du rapprochement entre mécaniciens et métallurgistes à la fin du siècle dernier étaitd’intégrer de plus en plus de connaissances sur les matériaux au sein des calculs de structures. Le contrata largement été rempli pour ce qui concerne la prise en compte de comportements non linéaires, pour desmatériaux aussi variés que les polymères, les composites, les alliages métalliques et les géomatériaux,qu’il s’agisse d’aborder les procédés de fabrication ou le fonctionnement des structures. Les exemplesde modèles qui passent avec succès du laboratoire à l’utilisation industrielle de routine sont malgré toutrelativement rares : il suffit pour s’en convaincre de consulter les notices de lois de comportement desgrands codes de calcul. Il y a donc un travail à terminer dans ce domaine, en développant les bases dedonnées matériau disponibles pour la communauté scientifique. Il y a également d’autres perspectivesqui s’ouvrent, avec le souhait de contrôler par le calcul l’ensemble de la chaîne de conception, du berceauà la tombe.C’est cette nouvelle exigence qui est commentée ici, en se focalisant sur l’influence de la précipita-tion sur le comportement et la rupture, sur sa modélisation dans un élément de volume et en calcul destructures. En se basant sur une étude détaillée de la littérature et sur les résultats d’une série de travauxmenés dans les Ecoles des Mines de Paris, de Nancy ou l’université de Créteil [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8],à l’ONERA [9, 10] et à l’ENSMA [11], cet exposé se propose dans une première partie de faire unbilan des avancées observées dans le traitement de l’influence de la précipitation sur le comportementcontrainte–déformation dans les alliages base nickel, d’aluminium ou de titane. Une deuxième partiemontrera qu’il reste beaucoup à faire pour ce qui concerne les modèles d’amorçage de fissure, qui n’ontpratiquement pas progressé depuis 50 ans. La troisième partie discutera les différentes possibilités decouplage de code, en désignant celles qui sont utiles d’un point de vue de la connaissance (approchesmulti-échelles notamment) et celles qui sont utilisables de façon réaliste en environnement industriel(approches phénoménologiques informées ).2 Lois de comportementLa représentation des populations de précipités a considérablement progressé au cours des dernièresannées, en parallèle avec les comportements mécaniques. On ne se contente plus maintenant de prévoirun rayon moyen et une fraction volumique. Les nouveaux modèles numériques permettent de prévoirles distributions de taille (donc d’avoir une vue sur l’évolution de plusieurs populations qui seraient encompétition), voire d’avoir accès à la morphologie dans le cas où on met en œuvre les champs de phases.La question qui se pose est de savoir comment tirer profit au mieux de ces informations dans un modèle1mécanique.3 Prévision d’amorçage et propagation de fissuresSelon les matériaux étudiés, la précipitation va influencer ou non l’amorçage et la propagation desfissures. Une des questions ouvertes est de savoir si l’influence éventuelle est cohérente avec l’influencesur le comportement (ce qui veut dire que l’utilisation, en entrée du modèle d’amorçage, de la sortiemodifiée du modèle de comportement donne la bonne réponse) ou s’il faut recalibrer un nouveau modèle.La même interrogation est présente pour le cas de la propagation. L’étude de l’interaction vieillissement–amorçage ou vieillissement–fissuration, quoique fondamentale, est trop souvent délaissée.4 Chaîne de calcul procédés-traitement thermique–propriétés d’emploiCette dernière partie discute les développements qui sont nécessaires en termes de méthodes de cal-cul et de logiciels si l’on souhaite réaliser une conception optimale, au cours de laquelle les procédéset les traitements thermomécaniques pourront être ajustés au sein des composants afin d’obtenir les mi-crostructures présentant une résistance adaptée. Certains cas peuvent se traiter de façon séquentielle, enenchaînant simplement les différents codes. D’autres nécessitent un couplage plus complet, par exempleentre métallurgie et thermique si la chaleur latente de transformation n’est pas négligeable, ou bien entremétallurgie et mécanique lorsque la précipitation est influencée par l’état de contrainte. Les différentessolutions sont présentées et leur efficacité est discutée.Références[1] L. Espié. Étude expérimentale et modélisation numérique du comportement mécanique des superalliages.PhD thesis, ÉNSMP, 1996.[2] E. Nicouleau-Bourles. Etude expérimentale et numérique du vieillissement d’un alliage d’aluminium. Appli-cation aux culasses automobiles. PhD thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 1999.[3] Bruno Barlas. Etude du comportement et de l’endommagement en fatigue d’alliages d’aluminium de fonderie.PhD thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 02/05, 2004.[4] Y. Robert. Simulation numérique du soudage du TA6V par laser YAG impulsionnel : caractérisation expéri-mentale et modélisation des aspects thermomécaniques associés à ce procédé. PhD thesis, École NationaleSupérieure des Mines de Paris, 4 septembre 2007.[5] A. Longuet. FE model of the direct laser fabrication of Ta6V components. PhD thesis, École NationaleSupérieure des Mines de Paris, décembre 2008.[6] Konstantin Kuzmenkov. Développement d’un modèle pour estimer l’effet de temps de maintien dans l’alliageTi6242 – A model for dwell effect in Ti6242. PhD thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 06/072012.[7] Guillaume Martin. Modélisation multi-échelles du comportement contrainte–déformation des alliages detitane beta-métastables – Multiscale modelling of the stress-strain behaviour of beta-metastable Titaniumalloys. PhD thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 12/10 2012.[8] RémiMartinez. Modélisation multiéchelles du vieillissement des alliages d’aluminium –Multiscale modelingof the ageing of cast aluminium alloys. PhD thesis, Paris XII–Créteil University, 07/07 2012.[9] G. Cailletaud. Une approche micromécanique phénoménologique du comportement inélastique des métaux.PhD thesis, Université Pierre et Marie Curie, Paris 6, 1987.[10] Guylaine Boittin. Etude numérique de la relation microstructure–propriétés dans les alliages base Nickel– Numerical investigation of the microstructure-mechanical properties relations in Nickel base alloys. PhDthesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 12/06 2011.[11] J. Ghighi. Modélisation 3D de l’effet des évolutions microstructurales sur la durée de vie en fluage desalliages monocristallins. PhD thesis, ENSMA, 2012.2

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