Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

PROUDHON Henry

Centre des Matériaux

09/12/2023

Plasticité cristalline, fatigue Dwell, génération de microstructure, éléments finis, TA6V

Crystal plasticity, fatigue Dwell, microstructure generation, finite elements, TA6V

A température ambiante, sous un chargement de fatigue, l'application d'un temps de maintien, même de faible durée, modifie le comportement et la durée de vie de l'alliage de titane TA6V. Ce problème est la cause de nombreux cas de ruptures prématurées de disques de turbomachine. La présence, dans l'alliage, des « macrozones (MTR)» semble y contribuer. La morphologie des phases en présence à basse température semble également avoir un rôle important. Dans ce contexte, cette thèse vise à mieux comprendre et à modéliser le comportement mécanique et l'abattement de la durée de vie de cet alliage de titane sous un chargement dwell à température ambiante. Une approche multi-échelles basée sur l'utilisation d'un modèle en plasticité cristalline est adoptée. On cherche à mieux comprendre quels sont les paramètres pouvant rendre une MTR « critique » et en quoi cette criticité est dépendante de l'état de chargement local.

Cold Dwell fatigue modifies the behavior and reduces the fatigue life of the TA6V titanium alloy. This problem is the cause of many cases of erlier failure of turbomachine disks. The presence, in the alloy, of 'macrozones (MTR)' seems to contribute to it. The morphology of the phases present at low temperature also seems to have an important role. In this context, this thesis aims to better understand and model the mechanical behavior and the life reduction of this titanium alloy under a dwell loading at room temperature. A multi-scale approach based on the use of a crystal plasticity model will be used. The aim is to better understand which parameters can make a MTR 'critical' and how this criticality is dependent on the local loading conditions.

En 2017, un Airbus A380 d'Air France a subi la perte en cours de vol d'un disque fan en alliage de titane TA6V. Les analyses menées par le BEA ont montré que la rupture était liée à un scénario de fatigue dwell associé à la présence dans la zone de rupture d'une région macro-texturée (« MTR ») [1].
Plusieurs alliages de titane sont connus pour être sensibles à un chargement de fatigue « dwell » à température ambiante (application d'un cycle avec 120s de temps de maintien typiquement) pouvant conduire à un abattement de la durée de vie comparativement à un chargement de fatigue standard (sans temps de maintien). Cet effet est expliqué d'une part par la capacité des alliages de titane à se déformer de façon visqueuse à basse température, mais également par des aspects microstructuraux comme la présence de MTR.
Si le scénario de rupture exact sous chargement de fatigue dwell n'est aujourd'hui pas formellement établi, de telles études montrent le caractère « structural » du phénomène bien qu'opérant à l'échelle microscopique. La transposition entre les résultats d'essais à l'échelle d'éprouvettes vers une application sur structure n'est donc pas simple. En effet, une configuration microstructurale donnée (MTR) n'aura pas le même impact sur la tenue mécanique d'une structure en fonction de son orientation, de l'état de chargement local, etc ...

In 2017, an Air France Airbus A380 suffered a mid-flight loss of a TA6V titanium alloy fan disc. Analyses conducted by the BEA showed that the rupture was related to a fatigue dwell scenario associated with the presence in the rupture zone of a macro-textured region (“MTR”) [1].
Several titanium alloys are known to be sensitive to dwell fatigue loading at room temperature (application of a cycle with 120s of holding time typically) may lead to a reduction in service life compared to a standard fatigue load (without holding time). This effect is explained on the one hand by the ability of titanium alloys to deform viscously at low temperatures, but also by microstructural aspects such as the presence of MTR.
Although the exact failure scenario under dwell fatigue loading is not yet formally established, such studies show the 'structural' character of the phenomenon, even though it operates on a microscopic scale. The transposition of test results at the scale of specimens to an application on structure is therefore not simple. Indeed, a given microstructural configuration (MTR) will not have the same impact on the mechanical strength of a structure depending on its orientation, the local loading state, etc,

Directeur de thèse : Henry Proudhon – Centre des Matériaux
Co-encadrant : Farida Azzouz - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Franck N'Guyen – Centre des Matériaux

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.
Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Mécanique des matériaux, mécanique numérique, lois de comportement, programmation Python.
Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):

Mechanics of materials, computational mechanics, constitutive laws, Python programming

Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC

to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

On cherchera à établir des indicateurs de fatigue (plasticité cumulée dans les plans de glissement, orientations cristallines locales en présence de grains durs/grains mous, etc) qui permettraient de modéliser numériquement les raisons de la diminution de la durée de vie du matériau une fois soumis à un chargement avec un temps de maintien, même relativement faible. Le travail de recherche s'appuiera sur des résultats expérimentaux aux échelles macroscopique et microscopique ainsi que sur .des essais de diffraction aux neutrons qui seront réalisées sur la ligne SALSA de l'ILL à Grenoble permettant de mesurer des déformations cristallines in-situ Les résultats attendus :
• avancées dans la compréhension et la modélisation du phénomène Cold Dwell;
• mise en place d'une modélisation multi-échelle basée sur une approche polycristalline du comportement ;
• développement d'un outil de génération de microstructures (morphologie + cristallographie) numériques représentatives à grande échelle ;
• définition d'un critère de durée de vie micro-mécanique.
Ce travail fera donc appel à des compétences tant expérimentales que théoriques et numériques (modélisation mécanique, lois de comportement, simulation par éléments finis, programmation).

Fatigue indicators (cumulative plasticity in the sliding planes, local crystalline orientations in the presence of hard/soft grains, etc.) will be investigated in order to model numerically the reasons for the decrease of the material's lifetime once subjected to a fatigue loading with even a relatively low holding time. The research work will be based on experimental results at the macroscopic and microscopic scales as well as on neutron diffraction tests which will be carried out on the SALSA line of the ILL in Grenoble allowing to measure crystalline deformations in-situ. Expected results:
• advances in the understanding and modeling of the Cold Dwell phenomenon;
• implementation of a multi-scale modeling based on a polycrystalline approach of the behavior;
• development of a tool for generating representative large-scale digital microstructures (morphology + crystallography);
• definition of a micro-mechanical life criterion.

Des études expérimentales ont montré, pour des chargements de fatigue dwell, que les facettes cristallographiques à l'origine de l'amorçage semblent correspondre à la trace du plan basal de la maille hexagonale de la phase α du titane, mettant ainsi en évidence l'importance de la microstructure locale dans le scénario de rupture en fatigue dwell. Par ailleurs, des études avec des simulations en plasticité cristalline ont montré l'importance de la configuration d'orientation cristalline locale en fatigue dwell, notamment en présence d'une configuration « grain dur / grain mou » voisins du fait de l'anisotropie de l'écoulement plastique. L'objectif de ce projet de recherche est de comprendre la compétition qui existerait entre la microstructure et le chargement de fatigue qui conduit au développement du phénomène Cold Dwell.
Experimental studies have shown, for dwell fatigue loading, that the crystallographic facets at the origin of damage initiation seem to correspond to the basal plane trace of the hexagonal cell of the α-phase of titanium, thus highlighting the importance of the local microstructure in the dwell fatigue failure scenario. Furthermore, studies with crystal plasticity simulations have shown the importance of the local crystal orientation configuration in dwell fatigue, especially in the presence of a neighboring 'hard grain/soft grain' configuration due to the anisotropy of the plastic flow. The objective of this research project is to understand the competition that would exist between the microstructure and the fatigue loading that leads to the development of the Cold Dwell phenomenon.

[1] Accident de l'AIRBUS A380-861 immatriculé F-HPJE et exploité par Air France survenu le 30/09/2017 en croisière au dessus du Groenland [Enquête déléguée au BEA par les autorités du Danemark], (n.d.). https://www.bea.aero/les-enquetes/evenements-notifies/detail/accident-de-lairbus-a380-861-immatricule-f-hpje-et-exploite-par-air-france-survenu-le-30-09-2017-en-croisiere-au-dessus-du-groenland-enquete-deleguee-au_bea-par-les-autorites-du-danemark (accessed November 15, 2020).
[2] 'Titanium', Lutjering, Gerd et Williams, James C., Jr., Springer (2007).
[3] FPE Dunne, A. Walker et D. Rugg, Proc. A systematic study of hcp crystal orientation and morphology effects in polycrystal deformation and fatigue, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 463, issue 2082, pp. 1467-1489, 2007.
[4] A. Senthilnathan, I. Javaheri, H. Zhao, V. Sundararaghavan, M. DeGraef, P. Acar, Uncertainty quantification of metallic microstructures using principal image moments, Computational Materials Science, Volume 215, 2022, https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2022.111775.
[5] H. Jelidi, Modélisation microstructurale du phénomène Cold-Dwell dans le TA6V, rapport final, Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures, Mines Paris, Septembre 2022.
[6] A. M. Korsunsky, K. E. James and M. R. Daymond, Intergranular stresses in polycrystalline fatigue : diffraction measurement and self-consistent modelling, Engineering Fracture Mechanics, 71(4-6):805-812, 2004. DOI: 10.1016/S0013-7944(03)00018-3.
[7] “Strain Imager for Engineering Applications SALSA”, ILL
https://www.ill.eu/users/instruments/instruments-list/salsa/description/instrument-layout

Convention CIFRE

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