Déchirure ductile des tôles minces en alliage
d’aluminium 2024 pour application aéronautique

Discussion: failure mechanisms 

Simulation To have a better understanding of the difference between flat and slant fracture modes, a 3D simulation of a Kahn test with crack propagation is performed. The calculation is performed with the object-oriented finite element code Zeb´ ulon (Besson and Foerch, 1997). The constitutive model for porous materials proposed by Rousselier (1987) and extended by Tanguy and Besson (2002) is used. Damage is represented by a single scalar variable: the porosity f . The mesh size in the propagation region is 160 µm in the loading direction, 200 µm in the propagation direction, and 218 µm in the thickness direction. Using this mesh size slant fracture is not reproduced because it requires a much finer mesh (Besson et al., 2001a,b). This calculation is similar to those carried out by Chabanet et al. (2003). Isotropic hardening is used with an anisotropic yield surface (Bron and Besson, 2004). This yield criterion is an extension of the one proposed by Karafillis and Boyce (1993). It is adjusted to fit TR, EU1 and EU2 tests. The initial void volume fraction is 1.6 × 10−3 . It corresponds to the void volume fraction measured by image analysis on 202415tn material (Table 2). A constant nucleation controlled by the equivalent plastic strain is supposed to represent debonding and cracking of second phase particles. Nucleation is treated like in the Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model (Chu and Needleman, 1980

Rupture dans les tôles 202407t5 et 202415t3

Microstructure

Les tôles pré-étirées présentent une microstructure semblable aux autres tôles mais il est possible de mettre en évidence des particules rompues comme sur la figure 1.1. La morphologie des phases grossières et des trous a été étudiée par analyse d’images (42 micrographies dans le plan LS et 49 dans le plan TS pour la tôle 202407t5, 34 dans le plan LS et 46 dans le plan TS pour la tôle 202415t3). Les résultats donnés dans le tableau 1.5 indiquent que les dimensions des phases et des porosités sont pratiquement inchangées par rapport aux tôles non pré-étirées (en tenant compte de la précision des mesures). Ceci montre qu’à 3 ou 5 % d’allongement, la décohésion et la rupture des phases ont déjà commencé mais ne sont pas encore très développées. Comme il a été confirmé dans la section précédente que ces phénomènes sont terminés à la striction, on peut supposer, en première approximation, que la rupture des phases grossières est régulière jusqu’à une déformation correspondant à la striction des éprouvettes lisses.

Essais mécaniques

Les essais mécaniques ont été effectués sur les tôles pré-étirées en suivant le même plan d’expérience que pour les tôles non pré-étirées. La figure 1.2 présente les essais de traction dans la direction T sur les éprouvettes lisses et entaillées. On observe toujours l’effet d’entaille : plus l’entaille est sévère, plus la charge est élevée. Par contre la prétraction plus importante sur la tôle 202407t5 (5 %) que sur la tôle 202415t3 (3 %) entraine une limite d’élasticité et des charges globalement supérieures ainsi qu’une plus faible  P représente les phases intermétalliques et V les cavités. Les petits chiffres entre parenthèses sont les écarts quadratiques moyens. ductilité. Les caractéristiques mécaniques statiques des deux tôles sont données dans le tableau 1.6. L’anisotropie de limite d’écoulement et de coefficient de Lankford pour une déformation plastique de 0.05 (figure 1.3) est très similaire à celle des tôles non pré-étirées mais le niveau de chargement global est nettement plus élevé à cause du pré-écrouissage. Les figures 1.4 et 1.5 présentent les résultats des essais de fissuration des éprouvettes Kahn et M(T). Là encore, la nuance de haute pureté voit une charge beaucoup plus élevée et une avancée de fissure plus lente. Cependant, il faut noter que la pré-traction appliquée aux deux tôles est différente dans le cas des éprouvettes Kahn et identique dans le cas des éprouvettes M(T). Les énergies de rupture sont reportées dans le tableau 1.7. Elles sont plus faibles que pour les tôles non pré-étirées car les matériaux sont déjà endommagés et écrouis par la pré-traction mais la diminution est très nettement plus importante dans le cas des éprouvettes M(T) que dans le cas des éprouvettes Kahn. Ceci s’explique par l’importance plus grande de l’énergie nécessaire à l’écrouissage du matériau dans le cas des éprouvettes M(T). La pré-traction diminue la capacité d’écrouissage et donc le besoin en énergie. 40 CHAPITRE 1. MÉCANISMES DE RUPTURE EU1 EU2 EU05 EV 202415t3 Ouverture (mm) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 EU1 EU2 EU05 EV 202407t5 TR 202415t3 ∆L/L0 F/S0 (MPa) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 400 300 200 100 0 TR 202407t5 F/S0 (MPa) 500 400 300 200 100 0 Fig. 1.2 : Essais sur éprouvettes lisses et entaillées tractionnées dans la direction T pour les tôles 202407t5 et 202415t3. F est la force et S0 la section initiale. ∆L/L0 est la déformation ingénieur longitudinale. angle 202407t5 202415t3 Rp02 (MPa) RM (MPa) AS Rp02 (MPa) RM (MPa) AS 0 (L) 422 474 0,11 397 465 0,15 π/8 365 463 0,14 348 454 0,15 π/4 355 456 0,12 338 449 0,16 3π/8 307 338 0,13 329 448 0,16 π/2 (T) 354 467 0,14 334 454 0,15 Tab. 1.6 : Caractéristiques mécaniques statiques des tôles 202407t5 et 202415t3. Rp02 est la limite d’élasticité pour une déformation plastique de 0,2 %, RM est la résistance mécanique et AS est la déformation ingénieur correspondant à RM. Kahn M(T) 202407t5 0,12 1,241 202415t3 0,19 4,642 Tab. 1.7 : Énergies de rupture R (J/mm2 ) pour une avancée de fissure dans la direction L de 5 à 15 mm (traction dans la direction T) 3. RUPTURE DANS LES TÔLES 202407T5 ET 202415T3 41 202415t3 202407t5 b) Coefficient de Lankford Angle par rapport à la direction L 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 π 2 3π 8 π 4 π 0 8 202415t3 202407t5 a) Limite d’écoulement (MPa) Angle par rapport à la direction L π 2 3π 8 π 4 π 0 8 500 490 480 470 460 450 440 Fig. 1.3 : Limite d’écoulement et coefficient de Lankford dans le plan des tôles 202407t5 et 202415t3 pour une déformation plastique de 0,05. Le coefficient de Lankford est le rapport de la déformation plastique latérale et de la déformation plastique dans l’épaisseur. 202407t5 202415t3 Ouverture (mm) Longueur de fissure (lignes pointillées, mm) F/S0 (lignes continues, MPa) 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 150 120 90 60 30 0 Fig. 1.4 : Essais sur éprouvettes Kahn tractionnées dans la direction T pour les tôles 202407t5 et 202415t3. F est la force et S0 la section initiale.   Ouverture (mm) Longueur de fissure ∆ a (lignes pointillées, mm) F/S0 (lignes continues, MPa) 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 300 250 200 150 100 50 0 Fig. 1.5 : Essais sur panneaux M(T) tractionnés dans la direction T pour les tôles 202402t5 et 202415t5. F est la force et S0 la section portante initiale. Le point noir indique la charge maximale pendant la pré-fissuration en fatigue.

Mécanismes de rupture

Une observation au microscope indique que les surfaces de rupture des tôles avec et sans pré-traction sont identiques. Ceci indique que la rupture est provoquée par les mêmes mécanismes.