Note publique d'information : L'automobile nécessite l'utilisation d'échangeurs thermiques permettant d'assurer
au moteur des conditions de fonctionnement en température acceptables (autour de 90°C).
La fiabilité de ces échangeurs ne peut être négligée car ils peuvent être à l'origine
de complications mécaniques importantes en cas de dysfonctionnement. La maîtrise des
divers modes d'endommagement des échangeurs thermiques liés aux conditions d’utilisation
devient dès lors un enjeu incontestable pour les industriels en charge de leur production,
tant du point de vue matériaux, que du comportement général de la structure en service
(influence du procédé d'assemblage, design,...). Les échangeurs thermiques présentent
aujourd’hui une sensibilité accrue aux sollicitations thermomécaniques cycliques induites
en service, du fait, essentiellement, d’une constante diminution des épaisseurs des
composants. Celle-ci est responsable d’une augmentation significative des contraintes
internes pour des conditions en service identiques, pouvant avoir pour conséquence
directe et irréversible la rupture d’un tube, témoin d’une incompatibilité matière/design/process.
Deux configurations matières industrielles ont ici été étudiées. Il s’agit de structures
tri-couches colaminées de type tube, constituées respectivement de deux et trois alliages
d’aluminium distincts (4xxx/3xxx/4xxx ou 4xxx/3xxx/7xxx), pour une épaisseur totale
de 270µm. Ces dernières ont été développées pour permettre l’utilisation du procédé
de brasage comme procédé d’assemblage (alliage 4xxx). Toutefois, une telle architecture,
combinée à un procédé thermique d’assemblage sévère (600°C), est responsable d’une
modification profonde de la microstructure avec l’apparition de structures de solidification,
responsables entre autres de nombreuses irrégularités de surface (appelées Gouttes
de Placage Résiduelles - GPR) ainsi que d’importants gradients de propriétés mécaniques
dans l’épaisseur. Ces travaux de recherche s’appuient sur une approche expérimentale
et numérique développée pour étudier les mécanismes d'endommagement en fatigue relatifs
à de telles structures fines hétérogènes. Associant diverses techniques expérimentales
telles que la corrélation d’images numériques (2D-3D) ou la tomographie à rayons X
(de laboratoire ou à l’ESRF), elle permet une analyse précise des mécanismes d’amorçage
et de propagation des fissures de fatigue (sur éprouvette de fatigue classique ou
de type échangeur thermique). Le rôle des différents placages dans chacune des phases
de l’endommagement a ainsi été mis en évidence (4xxx : amorçage, 7xxx : propagation
des fissures). Des simulations par la méthode des éléments finis nous ont permis de
compléter ces observations en proposant une quantification précise de l’influence
de l’état de surface (GPR) sur la tenue en fatigue des éprouvettes testées. Enfin,
des essais de fatigue réalisés directement sur échangeurs thermiques ont permis de
corroborer les résultats obtenus sur éprouvettes modèles.
Note publique d'information : The automotive industry, like many other industrial fields, requires the use of heat
thermal exchangers to allow optimal thermal service conditions of the engine (around
90°C for a car engine). The exchangers’ reliability has to be guaranteed to avoid
a decrease of the engine efficiency or detrimental mechanical damage resulting from
too high service temperatures. It is therefore necessary to control the different
damage modes of such thermal heat exchangers according to the conditions of use. Thanks
to their good thermal, corrosion and mechanical properties, aluminium alloys have
steadily replaced copper alloys and brass for manufacturing heat exchangers in cars
or trucks. Such components have been constantly optimized in terms of exchange surface
area and, nowadays, this has led to Al components in heat exchangers with a typical
thickness of the order of 0.2 to 1.5 mm. With such small thicknesses, the load levels
experienced by heat exchangers components has drastically increased leading to an
important research effort in order to improve the resistance to damage development
during service life. Two industrial materials made of 3 co-rolled aluminium alloys
(total thickness 0.27 mm) have been studied. In spite of their small thickness, the
materials exhibit a composite structure comprising a core material (3xxx alloy) and
2 clads (4xxx and/or 7xxx alloys according to material configuration: 4xxx/3xxx/4xxx
or 4xxx/3xxx/7xxx). The lower melting point 4xxx alloy is used for producing the heat
exchanger assembly during a brazing process while the 7xxx alloy improves internal
corrosion resistance. Such complex architecture, combined to the severe brazing thermal
treatment, leads to important microstructural modifications, mainly characterized
by the formation of brazing joints or Clad Solidification Drops (CSD) on the surface.
Both of them are responsible for significant gradients of the mechanical properties
on the thickness. The present study is based on an original experimental and numerical
approach developed to characterise the different fatigue damage mechanisms operating
in such thin heterogeneous structures. Digital image correlation (2D-3D) and X-rays
tomography (at different resolutions) have been used to analyze the crack initiation
and propagation mechanisms, highlighting the impact of each clad on each damage step.
While the 4xxx clad corresponds to preferential crack initiation zones, the 7xxx clad
seems to affect significantly the crack propagation phase. Finite Elements simulations
have been carried out to complete these experimental observations, putting forward
an accurate quantification of the surface state influence (through the CSD). All the
different results and observations made on fatigue samples with a simplified geometry
have been finally confirmed by fatigue tests on thermal exchanger configurations.
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