La tomographie à rayons X en tant que moyen d’observation non destructif permet de suivre in-situ les évolutions microstructurales et les mécanismes d’endommagement au sein des matériaux métalliques et de revisiter des problématiques anciennes. La tomographie synchrotron nous a ainsi permis d’analyser les évolutions microstructurales se produisant pendant la solidification d’alliages Al-Cu « modèles » et d’identifier les mécanismes agissant à l’échelle des bras de dendrites d’Al pour tester la validité des modèles existants [1–3]. La tomographie est aussi un outil de choix pour caractériser la microstructure d’un alliage industriel tel que l’alliage AlSi7Cu3 utilisé pour la fabrication de culasses automobiles par le procédé à modèle perdu. Ce procédé induit pores et microretassures dont la taille peut dépasser 1mm et qu’une analyse 2D sous-estime. L’utilisation des distributions de tailles de pores obtenues par tomographie a ainsi permis d’améliorer la pertinence des probabilités de durée de vie calculées par un critère de fatigue énergétique [4]. L’espace interdendritique contient ensuite trois phases plus rigides que les dendrites d’aluminium : les intermétalliques au Cu, les intermétalliques au Fe et le Si eutectique. Les réseaux d’intermétalliques peuvent être résolus et caractérisés en tomographie de laboratoire, ce qui permet notamment de quantifier l’influence d’un traitement thermique ou de légères variations de composition sur la microstructure [5]. La microstructure héritée du procédé de moulage est complexe (réseaux d’intermétalliques, microretassures…) et une compréhension des mécanismes d’endommagement est impossible sans une prise en compte de cette complexité.  En effet, en présence de défauts de fonderie, il n’est pas rare qu’une fissure s’amorce en interne alors que la plupart des observations se limitent à la surface. La compréhension du scénario d’endommagement nécessite alors de coupler moyens d’observation in-situ à l’échelle de la microstructure 3D et mesures de champs.

 Quand la microstructure 3D (nodules de graphite dans une fonte à graphite sphéroïdale, phases rigides et pores dans un alliage d’aluminium) peut servir de mouchetis pour la corrélation d’images volumiques (CIV), la réalisation d’essais in-situ sous tomographie permet non seulement d’identifier des mécanismes mais aussi d’accéder à des données quantitatives. Le couplage de la tomographie et de la CIV a ainsi permis d’étudier la propagation de fissures 3D dans une fonte à graphite sphéroïdale. Les champs de déplacements 3D obtenus par CIV lors d’un essai de fatigue in-situ nous ont ainsi permis d’extraire les valeurs du facteur d’intensité des contraintes le long du front de la fissure et d’étudier notamment l’influence de la géométrie de la fissure sur l’ouverture et la propagation [6]. Dans l’alliage AlSi7Cu3, le mouchetis formé par les pores et les intermétalliques permet d’accéder aux champs de déformations au voisinage des pores et un bon accord est observé entre un calcul éléments finis réalisé sur un modèle numérique 3D des pores dans la matrice d’aluminium et la mesure de champs lors d’un essai de traction monotone sous tomographie de laboratoire [7]. L’amorçage des fissures se produit au voisinage des pores où les déformations mesurées sont les plus grandes. Pour atteindre des durées d’acquisition compatibles avec des essais de fatigue, des essais de fatigue oligocyclique ont ensuite été réalisés in-situ sous tomographie synchrotron à température ambiante mais aussi à 250°C [8] pour se rapprocher des conditions en service des culasses. L’incertitude de la CIV est plus faible en tomographie synchrotron qu’en tomographie de laboratoire du fait d’un mouchetis plus riche grâce au Si observé par contraste de phase [9] ; une haute résolution spatiale peut ainsi être obtenue à un niveau d’incertitude qui reste bas, ce qui rend possible des mesures de déformation au sein des différentes phases. Les fissures observées s’amorcent généralement au cours du 1er cycle en interne près des zones de forte courbure des pores [7], mais aussi sur les phases rigides au voisinage des pores. Ensuite, elles se propagent suivant les inclusions rigides où la déformation cumulée de von Mises augmente jusqu’à rupture. Ce scénario dépend de la température.

[1] N. Limodin, L. Salvo, M. Suéry, M. DiMichiel, Acta Mater. 55 (2007) 3177–3191.
[2] N. Limodin, L. Salvo, E. Boller, M. Suéry, M. Felberbaum, S. Gailliègue, K. Madi, Acta Mater. 57 (2009) 2300–2310.
[3] L. Salvo, M. Suéry, A. Marmottant, N. Limodin, D. Bernard, Comptes Rendus Phys. 11 (2010) 641–649.
[4] F. Szmytka, N. Limodin, L. Wang, P. Osmond, J. Adrien, E. Charkaluk, J.Y. Buffiere, in:, J.Y. Buffière, M. Brune, F. Morel, Y. Nadot (Eds.), FDMD II - JIP 2014 - Fatigue Des. Mater. Defects, MATEC Web of Conferences, Paris, 2014, p. 05005.
[5] Z. Li, Influence of the Microstructure on Mechanical Properties and Damage Mechanisms in Al-Si-Cu Alloys by Using 2D and 3D in-Situ Analysis, Lille 1, 2016.
[6] N. Limodin, J. Réthoré, J.-Y. Buffière, F. Hild, S. Roux, W. Ludwig, J. Rannou, A. Gravouil, Acta Mater. 58 (2010) 2957–2967.
[7] L. Wang, N. Limodin, A. El Bartali, J.-F. Witz, R. Seghir, J.-Y. Buffiere, E. Charkaluk, Mater. Sci. Eng. A 673 (2016) 362–372.
[8] S. Dezecot, J.-Y. Buffiere, A. Koster, V. Maurel, F. Szmytka, E. Charkaluk, N. Dahdah, A. El Bartali, N. Limodin, J.-F. Witz, Scr. Mater. 113 (2016) 254–258.
[9] N. Dahdah, N. Limodin, A. El Bartali, J.F. Witz, R. Seghir, E. Charkaluk, J.Y. Buffiere, Strain 52 (2016) 324–335.

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