ANR INDiANA

Depuis des décennies, en raison de considérations environnementales et d’objectifs de réduction des coûts, les constructeurs automobiles ont mené une stratégie de downsizing, en particulier pour les pièces moteur comme les blocs cylindres ou les culasses. Dans ce premier cas, les alliages d’aluminium ont été choisi pour remplacer la fonte et, depuis quelques années, le Procédé à Modèle Perdu (PMP) a été introduit afin de remplacer la Coulée par Gravité (CG) pour des questions d’optimisation de géométrie, de réduction des coûts et de réduction de masse et donc de consommation. Une des conséquences de ce downsizing est l’augmentation de la puissance spécifique du moteur et des flux de combustion. La culasse devient donc l’une des pièces les plus critiques du moteur automobile, soumise à des chargements thermomécaniques sévères lors du cycle de démarrage-arrêt du véhicule.

Une spécificité importante du procédé PMP est le fait que la vitesse de refroidissement est relativement lente par rapport au procédé CG, ce qui crée une microstructure grossière en terme de SDAS, mais également une augmentation de la fraction volumique de pores et de la taille des inclusions.

Microstructure d’un alliage d’aluminium (a) issu du PMP présentant une microstructure plus grossière (pores plus gros et plus grande taille des dendrites et phases inter-dendritiques), (b) issu du moulage en coquille par gravité.

L’objectif principal du projet INDiANA est une compréhension fine du phénomène de fatigue thermomécanique de ce type d’alliages afin d’améliorer les critères de fatigue grâce à une approche de modélisation multi-échelle et, par conséquent, la fiabilité cible des composants moteur. Cela nécessite des analyses métallurgiques 2D et 3D, des essais de fatigue isothermes avec des mesures de champs 2D et 3D, des calculs de microstructure et des techniques d’homogénéisation non-linéaires qui combleront l’écart entre la modélisation phénoménologique actuelle en fatigue oligocyclique et les simulations micromécaniques.

Des éprouvettes représentatives de la microstructures du composant ont pu être obtenues (section 2,2x2,2 mm2). Dans un premier temps, les éprouvettes pu être caractérisées en 3D afin de valider le procédé et d’obtenir des données 3D pour les modèles numériques.

Eprouvette caractéristique observée en microtomographie à rayons X [Li 17].

Dans un second temps, des essais in situ sous microtomographe ont pu être menés :

Dispositif de traction in situ dans l'enceinte tomographique [Li 17].

L'éprouvette a été scannée à différents niveaux de sollicitation jusqu'à rupture. Le couplage des champs de déformations, déduits de la corrélation d'image, et la microstructure 3D, obtenue de la micro-tomographie, a permis de définir des scenarii de mécanismes d'endommagement pour les alliages d'aluminium issus du PMP.

Représentation des pores, de la phase Al2Cu et de la fissure dans la région d'étude. La déformation εzz est représentée à différents niveaux de chargement [Li 17].

 

[Tabibian 10] Tabibian, S., Charkaluk, E., Constantinescu, A., Oudin, A., & Szmytka, F. (2010). Behavior, damage and fatigue life assessment of lost foam casting aluminum alloys under thermo-mechanical fatigue conditions. Procedia Engineering, 2(1), 1145-1154.

[Li 17] Li, Z., Limodin, N., Tandjaoui, A., Quaegebeur, P., Witz, J. F., & Balloy, D. (2017). Influence of Fe content on the damage mechanism in A319 aluminum alloy: Tensile tests and digital image correlation. Engineering Fracture Mechanics, 183, 94-108.

Prochaines réservations

 

 

Identification de la porosité à l’intérieur d’une culasse en alliage d’aluminium.

Youtube Video: Microtomography of an aluminum cylinder head