Comportement des fissures de fatigue dans un champ de contraintes résiduelles de tension

Ce mémoire présente une étude expérimentale et numérique du comportement d'une fissure se propageant sous l'influence d'un champ de contraintes résiduelles de tension. L'étude comporte deux objectifs principaux. La mesure et le calcul d'un champ de contraintes résiduelles produit par le soudage. La quantification de l'effet du champ de contraintes résiduelles (CR) sur la vitesse de propagation des fissures de fatigue. Cette étude estmotivée par la problématique de fissuration observée dans certaines turbines Francis exploitées par Hydro-Québec. Il existe une incertitude reliée à l'influence qu'a un champ de contraintes résiduelles sur la vitesse de propagation des fissures dans les assemblages mécano-soudés. Les articles disponibles dans la littérature traitant du sujet n'ont pas démontré hors de tous doutes l'influence des contraintes résiduelles sur le comportement en fatigue-propagation. En effet, les conclusions proposées sont tirées de résultats pour lesquels l'effet de la microstructure, modifiée lors de l'introduction des contraintes résiduelles, se superpose potentiellement à l'effet des contraintes résiduelles Il devient donc difficile d'isoler l'influence des contraintes résiduelles pour confirmer que leur effet est équivalent à la simple superposition d'une contrainte monotone à la sollicitation cyclique. Dans le but d'isoler l'effet des contraintes résiduelles, une nouvelle géométrie d'éprouvette a été développée à l'Institut de Recherche d'Hydro-Québec (IREQ). Cette éprouvette originale, nommée CT-RES, permet d'étudier la propagation des fissures sous l'influence d'un champ de contraintes résiduelles dans une microstructure homogène. De plus, elle représente mieux l'état de contrainte d'une roue d'eau assemblée par rapport aux éprouvettes de laboratoires utilisées pour caractériser le comportement d'un matériau en fatigue-propagation. En effet, l'éprouvette CT-RES est un assemblage mécano-soudé permettant de reproduite le bridage d'une aube soudée à la ceinture et à la couronne. Un médaillon représentant l'aube est inséré puis soudé dans un cadre rigide. Le bridage est obtenu par l'opposition du cadre au retrait thermique de la soudure. Cette configuration n'est pas retrouvée dans les éprouvettes de laboratoire normalisées utilisées dans la littérature. Suite à la fabrication de l'éprouvette CT-RES, le champ de contraintes résiduelles a été mesuré à l'aide de la méthode du contour. Cette méthode étant destructive, deux éprouvettes ont été fabriquées à l'aide du bras robotisé Scompi®. La première éprouvette a été utilisée pour mesurer le champ de contraintes résiduelles.

Abstract

This master thesis presents an experimental and numerical study concerning the behaviour of a propagating crack under the influence of a residual stress field in tension. The study is composed of two main objectives: 1) The measurement and assesment of a welding residual stress field and 2) The evaluation of the residual stress field influence on the fatigue crack growth rate (FCGR). This study is motivated by the cracking problem observed in some Francis turbines operated by Hydro-Québec. There is an uncertainty related to the influence of a residual stress field on FCGR in welded assemblies. Numerous papers related to the subject have not demonstrated beyond all doubt the influence of residual stress field on FCGR. Indeed, the proposed conclusions are drawn from the results for suggesting that the effect of microstructure alteration during the introduction of residual stresses, is potentially superimposed on the effect of residual stresses. It is therefore becomes difficult to isolate the influence of residual stresses to assess their equivalence to the simple superposition of a monotonic load to cyclic loading. In order to isolate the influence of residual stresses, a novel specimen geometry was developed at the Institut de Recherche d'Hydro-Québec (IREQ). This original specimen, called CT-RES, allows the study of crack propagation under the influence of a residual stress field in a homogeneous microstructure. Moreover, it represents more accurately the stress state of a water wheel assembly, relative to laboratory test specimens used to characterize the fatigue behaviour of materials. Indeed, the CT-RES specimen is a welded assembly that reproduced the clamping effect of a welded blade to the belt and crown. A medallion, that represents the blade, is inserted and welded into a rigid frame. The clamping effect is obtained by the opposition of the frame to the heat shrinkage of the weld. This configuration is not found in standardized laboratory test specimens used in the literature. Following the fabrication of the CT-RES specimen, the residual stress field was measured using the contour method. This method being destructive, two specimens were fabricated using the Scompi® robotic arm. The first specimen was used to measure the residual stress field. The contour method revealed that the stress component