ÉTUDE DE LA DUREE DE VIE EN FATIGUE DES JOINTS SOUDES

La compréhension et la modélisation du gradient de comportement mécanique du joint soudé réalisées dans le chapitre précédent permettent de connaître les niveaux de contraintes et de déformations à travers le joint. À partir de ces résultats, le comportement en fatigue de la structure soudée est étudié et est modélisé dans ce chapitre. Les campagnes d’essais expérimentaux en fatigue uniaxiale et multiaxiale réalisées sur le métal de base et sur le joint soudé sont présentées. Différents rapports de charge ont été imposés dans le but de prendre en compte les effets de contraintes moyennes. Les paramètres d’un modèle en fatigue sont identifiés afin d’estimer les durées de vie des soudures et de les comparer avec celles qui sont mesurées expérimentalement. Le modèle de fatigue n’est pas identifié avec des paramètres dépendant de l’espace ; c’est la loi de comportement mécanique qui induit cette dépendance.l’étude des comportements mécaniques (Figure 2.1). La largeur dans les têtes reste de 24 mm, celle dans la zone utile est de 12 mm et l’épaisseur pour les deux types d’éprouvettes est ramenée à 2,8 mm. L’état de surface est défini par une rugosité de 0,2 µm sur chaque surface. En effet, de nombreux travaux ont démontré l’importance de l’état de surface des éprouvettes qui, s’il ne respecte pas une certaine tolérance, fait apparaître un amorçage de fissures prématuré lors d’essais en fatigue [106] [107] [74]. L’éprouvette constituée uniquement du métal de base a une forme de « diabolo », le rayon des congés de raccordement est de 150 mm, ce qui permet d’avoir une largeur au centre de l’éprouvette de 12 mm (Figure 4.1 : gauche). Pour l’éprouvette avec un joint soudé, la longueur de zone utile reste inchangée à 30 mm. Les rayons des congés de raccordement sont augmentés à 50 mm (Figure 4.1 : droite). Les géométries de ces éprouvettes respectent la norme ASTM E-466-07 [59].

Étude expérimentale de fatigue sous chargement uniaxial

Les structures aéronautiques soudées par FSW sont sollicitées mécaniquement en fatigue lors de leur utilisation en service. Des effets de l’environnement s’ajoutent à ces sollicitations, en créant de l’oxydation entre les zones du joint soudé, ce qui est néfaste pour la tenue en fatigue de la structure. Ces phénomènes d’oxydation et de corrosion sont étudiés dans les travaux de Bousquet [102], Dhondt [103] ou encore de Proton [104]. Dans notre étude, le comportement mécanique du joint soudé et sa tenue en fatigue ont été étudiés à température ambiante. L’endommagement en fatigue des structures soudées est donc lié uniquement aux niveaux de contrainte auxquels elles sont soumises et au nombre de cycles réalisés. Il dépend cependant de la microstructure du matériau. Le processus d’endommagement est souvent décomposé en trois phases qui sont l’amorçage de fissure, puis la propagation de fissure et enfin la rupture de la pièce. Dans nos travaux, nous nous sommes intéressés à la durée de vie en fatigue à l’amorçage ainsi qu’à la caractérisation de la zone où il se produit pour une structure soudée par FSW. Les deux autres phases ne sont donc pas détaillées par la suite [105 et 106]. L’amorçage peut être causé par différents facteurs. Premièrement, l’amorçage de fissure peut résulter du processus d’intrusion-extrusion lié au mouvement des dislocations en surface lors des essais de fatigue [107 et 108]. Deuxièmement, la présence de défauts, qui peuvent être internes à la structure soudée, tels que des inclusions, des lacunes ou des précipités, produit des concentrations de contraintes locales qui favorisent l’amorçage. Un traitement thermique mal contrôlé du métal de base peut également modifier la taille des grains et provoquer un adoucissement ou un durcissement trop important qui peuvent impacter la tenue en fatigue. Troisièmement, l’amorçage peut venir de défauts présents en surface de la structure, avec des concentrations de contraintes (entaille ou trou), des cordons de soudure, des impacts sur l’alliage d’aluminium ou encore un mauvais état de surface [3]. Pour réduire au maximum ces défauts, les surfaces des éprouvettes ont été reprises par usinage pour supprimer les cordons de soudure et diminuer les contraintes résiduelles présentes dans le joint. De plus, le soudage des éprouvettes a été réalisé en pleine tôle, et non entre deux tôles mises bout à bout, pour éviter l’apparition de défauts tels que le Joint Line Remnant (JLR) qui provient de la présence de couche d’oxyde sur les surfaces des deux tôles en contact [3]. Le principal intérêt industriel de ces travaux concerne des endurances limitées en fatigue, c’est-à-dire des durées de vie en fatigue comprises entre 104 et 106 cycles. Les niveaux de chargement imposés ont été choisis afin de balayer les différentes durées de vie comprises dans cet intervalle. 4.2.1 Méthode électrique dite du potentiel