Résistance à la fatigue des alliages Al-Si imprimés en 3D

Par Surbhi Jain18 mai 2022Revu par Susha Cheriyedath, M.Sc.

Dans un article récemment publié dans la revue Lettres de fabrication additiveles chercheurs ont présenté une approche mécanique de rupture élasto-plastique pour évaluer la tolérance uniforme aux dommages par fatigue pour les alliages Al-Si fabriqués et coulés de manière additive.

Étude: Évaluation uniforme de la tolérance aux dommages par fatigue pour les alliages Al-Si fabriqués et coulés de manière additive : une approche mécanique de rupture élastique-plastique. Crédit d’image : Alex_Traksel/Shutterstock.com

Arrière-plan

La fabrication additive (AM) et le moulage permettent la création exacte de géométries et de rigidités externes et internes complexes adaptées au flux de charge local. En raison de leur excellente coulabilité et de leur faible densité, les alliages aluminium-silicium (Al-Si) sont largement utilisés dans les industries automobile et ferroviaire.

Malgré le fait que la FA et les méthodes de coulée se sont améliorées au cours des dernières décennies, les défauts induits par le processus ne peuvent être qu’atténués, pas totalement évités. Par conséquent, les défauts induits par le processus doivent être pris en compte de manière appropriée pour la conception sûre de pièces fortement chargées.

La technique de Murakami et la modification habituelle pour les alliages de métaux légers selon l’approche de Murakami-Noguchi peuvent être utilisées pour décrire l’effet des défauts sur la résistance à la fatigue.

( a ) Diagramme de phase binaire Al-Si et ( a ) micrographie représentative d’un alliage hypoeutectique Al-Si contenant une solution solide dendritique α-Al (zones claires) et un eutectique interdendritique Al-Si (zones sombres). Crédit d’image : Tenkamp, ​​J. et al., Lettres sur la fabrication additive

À propos de l’étude

Dans cette étude, les auteurs ont discuté du développement d’une évaluation uniforme de la tolérance aux dommages basée sur les techniques mécaniques de rupture de Murakami et Shiozawa pour une conception mécanique fiable basée sur les défauts des structures chargées en fatigue.

Les approches mécaniques de rupture élastique linéaire (LEFM) de Murakami et Shiozawa ont été utilisées pour calculer les courbes de durée de vie basées sur les défauts, dans lesquelles le facteur d’intensité de contrainte cyclique (ΔK) au niveau du défaut à l’origine de la défaillance (√area) a été utilisé pour décrire les conditions de concentration de contraintes locales, ce qui a donné lieu à des courbes KN plutôt qu’à des courbes SN basées sur les contraintes nominales.

Les chercheurs ont utilisé le comportement de contrainte-déformation cyclique (CSS) pour une modification de la plasticité de la technique LEFM en calculant l’intégrale J cyclique effective (Δ J_eff) pour tracer des courbes KN basées sur J appelées courbes Kj-N.

Pour les matériaux Al-Si fabriqués et coulés de manière additive, l’effet de la microstructure, des défauts, de la porosité et du comportement de contrainte-déformation induits par le processus sur la fatigue et le comportement de tolérance aux dommages de fatigue (FDT) a été étudié.

La fusion sur lit de puissance avec un faisceau laser (PBF/LB) a été utilisée pour traiter le matériau AlSi10Mg, tandis que le moulage au sable (SC) et le moulage sous pression (DC) ont été utilisés pour fabriquer les matériaux moulés AlSi7Mg. Le matériau AM a été évalué tel que construit, tandis que les matériaux coulés ont été ajustés en termes de porosité, de précipités de Si eutectiques, d’espacement des bras dendritiques et de vitesse de refroidissement. Des essais de traction et incrémentiels ont été utilisés pour déterminer les caractéristiques quasi-statiques (QSS) et CSS, respectivement.

L’équipe a étudié l’impact de la FA et de la méthode de coulée sur la distribution des défauts, la microstructure, le comportement à la fatigue et le CSS pour les alliages Al-Si standard spécifiques au processus AlSi10Mg et AlSi7Mg. Pour déterminer leurs limites, l’utilisation de méthodologies contemporaines pour l’évaluation de la tolérance aux dommages a été examinée.

En outre, les résultats ont été couplés à de nouvelles techniques mécaniques de rupture élasto-plastique afin de surmonter ces limitations et de permettre une évaluation unifiée de la tolérance aux dommages par fatigue des alliages AM et coulés Al-Si. Le comportement à la fatigue a été décrit à l’aide de méthodologies traditionnelles et nouvelles, y compris les courbes SN de Noguchi relativisées par Murakami et les courbes SN de Woehler basées sur la dureté estimée et les limites de fatigue basées sur les défauts.

Géométries : (a) Essais de traction et LCF contrôlés par déformation ; (b) tests HCF contrôlés par le stress. Crédit d’image : Tenkamp, ​​J. et al., Lettres sur la fabrication additive

Observations

Pour la charge de compression-tension, la limite de fatigue de l’alliage AM a été considérablement réduite, en particulier lorsque le rapport de charge de compression (rapport de contrainte, R) a été porté à -2. De plus, pour R = -1, la sensibilité au stress augmentait à mesure que la taille du défaut diminuait.

Lorsque R était égal à 0,1, le FDT s’est avéré beaucoup plus faible que lorsque R était égal à -1. AM avait une limite d’élasticité quasi-statique de 0,2 % (YS) qui était comparable aux SC et DC sélectionnés, mais la YS de 0,02 % était inférieure et la résistance à la traction ultime était beaucoup plus élevée. Le YS de SC1 a finalement dépassé celui de DC1 de 5 %. Les coefficients d’écrouissage des courbes DC1p2-QSS ont été abaissés jusqu’à 10 %. Pour DC1p2 et DC1, le coefficient d’écrouissage cyclique a augmenté de 22 % et 7 %, respectivement.

Le comportement à la fatigue n’a pas pu être décrit en termes de conception de fatigue unifiée de l’AM et du matériau de coulée en utilisant des courbes KN basées sur LEFM. L’approche EPFM a permis une évaluation FDT unifiée de la FA et des alliages Al-Si coulés pour le régime HCF.

Les matériaux AM avaient une résistance quasi-statique plus élevée mais une résistance cyclique inférieure à celle des matériaux coulés, tandis que les matériaux coulés avaient une résistance cyclique plus élevée en raison de la caractéristique de durcissement cyclique significative. Murakami-Noguchi a pu anticiper correctement la limite de fatigue des matériaux coulés, mais la limite de fatigue des matériaux AM a été largement surestimée.

Micrographies représentatives OM et SEM (à gauche) ainsi que fractographies SEM (à droite) de l’alliage DC et SC AlSi7Mg (en haut) et de l’alliage AM AlSi10Mg (en bas). Crédit d’image : Tenkamp, ​​J. et al., Lettres sur la fabrication additive

conclusion

En conclusion, cette étude a élucidé la traduction de l’intégrale J à la dimension du facteur d’intensité de contrainte (SIF), connue sous le nom de J-SIF ou Kj, qui a été utilisée dans le diagramme de Shiozawa basé sur J à l’aide de courbes Kj-N. Ce changement a permis une évaluation FDT cohérente et précise, quelles que soient les caractéristiques de microstructure, de plasticité ou de porosité spécifiques au processus. En conséquence, une législation FDT standard pour le régime HCF et la limite FDT ou la limite de fatigue a pu être découverte.

Les auteurs ont mentionné que l’utilisation du comportement contrainte-déformation cyclique, de la distribution spécifique des défauts et du rapport de contrainte, de la limite FDT uniforme et de la loi FDT uniforme peut être utilisée pour construire des diagrammes de Haigh et des courbes SN synthétiques pour les alliages Al-Si.

La source

Tenkamp, ​​J., Stern, F., Walther, F., Évaluation uniforme de la tolérance aux dommages par fatigue pour les alliages Al-Si fabriqués et coulés de manière additive : une approche mécanique de rupture élastique-plastique. Lettres de fabrication additive 100054 (2022). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000287

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