Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Mécanisme d'endommagement“

L'étude des mécanismes d'endommagement des alliages de titane biphasés a été entreprise dans le but de comprendre les larges variations de ténacité observées par les industriels sur de tels alliages. En particulier, l'influence de la contrainte hydrostatique et des contraintes internes (x) sur l'amorçage et le développement du dommage a été mise en évidence pour divers alliages de titane biphasés. Cette étude comprend une large partie expérimentale constituée de nombreux essais mécaniques de traction monotone, de traction avec décharges, de ténacité, ainsi qu'une quantification complète du dommage au sein des éprouvettes axisymétriques en stades pré et post-rupture. L’originalité d'un tel travail réside dans le fait que l'approche locale de la rupture est ici appliquée a des matériaux a inclusions molles dans une matrice dure. Le couplage des résultats expérimentaux avec des calculs par éléments finis ont permis de comprendre le rôle décisif des contraintes internes sur le critère d'amorçage des cavités mais aussi sur leurs cinétiques de germination et de croissance. Les coefficients d'un modèle de Gurson-Tvergaard ont pu être identifies a partir des données expérimentales puis modifies afin de prendre en compte l'influence de x sur le comportement élastoplastique et les mécanismes d'endommagement des alliages. Enfin, un calcul avec plasticité et endommagement couples, permet de simuler le comportement jusqu'a rupture d'éprouvettes axisymétriques entaillées. Le travail conclut sur la nécessite d'employer de alliages de titane a faibles contraintes internes afin d'améliorer leur ténacité.

Les aciers inoxydables martensitiques X3CrNiMo13-4 et X4CrNiMo16-5-1 sont à ce jour largement utilisés pour la fabrication de turbines hydroélectriques pour leur bonne résistance mécanique et leur résistance à la corrosion intéressante. Bien que ces matériaux aient largement été étudiés d'un point de vue mécanique et microstructural, le lien entre ces caractéristiques et les mécanismes d'endommagement n'est pas clairement établi. Or dans certaines situations, l'exploitant est amené à opérer dans des conditions d'écoulement cavitant qui endommage les turbines jusqu'à provoquer des pertes de masse, des nuisances sonores et des diminutions du rendement. Dans ces situations, pour que le turbinier puisse prédire la durée de vie des composants exposés à la cavitation, il doit recourir à des modélisations mais ces dernières reposent sur un point clef du modèle mathématique : la loi d'endommagement. L'objectif des travaux de recherche présentés dans ce manuscrit est précisément de caractériser et de modéliser les mécanismes d'endommagement induits par la cavitation.Dans ce travail, les matériaux ont été exposés à la cavitation à l'aide de deux dispositifs expérimentaux complémentaires, MUCEF et PREVERO, permettant de générer respectivement de la cavitation acoustique et hydrodynamique. Afin d'identifier les mécanismes d'endommagement, des suivis temporels de l'amorçage et de la propagation des fissures ont été effectués à la surface des matériaux par microscopie électronique et dans le volume par tomographie aux rayons X. Les observations mettent en évidence que l'amorçage des fissures se produit au voisinage d'éléments non métalliques, le long de bandes de glissements persistantes, signatures d'une sollicitation de fatigue à très faible nombre de cycles. Les fissures se propagent de la surface vers le volume puis parallèlement à la surface sans plus être influencées par la présence des intermétalliques. Nous avons montré que ce mécanisme d'endommagement est le même pour les deux matériaux sélectionnés, pour deux états microstructuraux testés et pour les deux conditions expérimentales. Finalement, les distributions de taille et de fréquence des pits permettent de proposer un modèle simple d'endommagement utilisable par des simulations par éléments finis
Martensitic stainless steels X3CrNiMo13-4 and X4CrNiMo16-5-1 are widely used to date in the construction of hydroelectric turbines for their good mechanical resistance and intriguing corrosion resistance. Despite extensive mechanical and microstructural studies on these materials, the connection between these properties and damage mechanisms remains unclear. In certain situations, operators must work under cavitation flow conditions, which can cause turbine damage, resulting in mass loss, noise issues, and reduced efficiency. In such scenarios, turbine engineers need to resort to modeling, and a crucial aspect of the mathematical model is the damage law. The objective of the research presented in this manuscript is precisely to characterize and model the damage mechanisms induced by cavitation.In this work, the materials were exposed to cavitation using two complementary experimental setups, MUCEF and PREVERO, allowing the generation of acoustic and hydrodynamic cavitation, respectively. To identify damage mechanisms, temporal monitoring of crack initiation and propagation was conducted on the material's surface through electron microscopy and in the material's volume using X-ray tomography. The observations reveal that crack initiation occurs in the vicinity of non-metallic elements, along persistent slip bands, which are indicative of very low-cycle fatigue loading. Cracks propagate from the surface into the volume and then parallel to the surface, no longer influenced by the presence of intermetallics. We have shown that this damage mechanism is the same for the two selected materials, for two tested microstructural states, and for the two experimental conditions. Ultimately, the size and frequency distributions of pits allow for the proposal of a simple damage model applicable for finite element simulations

Dans le domaine du forgeage à chaud de pièces aéronautiques, les matrices en acier sont couramment rechargées, sur quelques millimètres d’épaisseur, par un alliage base cobalt (Stellite 21) déposé par procédé de soudage à l’arc (MIG). Dans le cadre de ce travail de thèse, ce rechargement « classique» est comparé à des rechargements Stellite 21 et Stellite 6 déposés par deux procédés émergents dans ce domaine, le PTA et le LASER. L’objectif est d’apporter des éléments de compréhension aux mécanismes d’endommagement de surface, notamment par écoulement plastique, de ces différents rechargements afin de dégager des voies d’amélioration pour augmenter la durée de vie des matrices. Pour cela, des essais tribologiques (semi-industriels et laboratoire) ont été mis en œuvre pour créer des endommagements de surface comparables à ceux observés sur matrices industrielles. Associées à ces essais, des investigations microstructurales, structurales et mécaniques multi-échelles ont été réalisées (traction, flexion, microdureté, MO, MEB, MEB-STEM, DRX, EBSD). Selon les couples « nuance/procédé » de rechargement, des mécanismes de déformation plastique par glissement des dislocations parfaites et par transformation de phase CFC en HC ont été identifiés. L’activation de ce dernier a pu être reliée à la température de transformation allotropique CFC/HC du cobalt. Cette température dépend à la fois (i) des éléments d’addition, variant en fonction de la nuance déposée (Cr, C,...), (ii) de la dilution (variation de la teneur en Fe) liée aux paramètres de soudage et (iii) du nombre de couches déposées. De plus, une influence significative de la transformation de phase sur l’évolution du coefficient de frottement a été mise en évidence. En effet, dans le cas où la transformation de phase n’est pas observée, le coefficient de frottement est stable durant l'essai alors qu'une chute de la courbe de coefficient de frottement a été reliée avec la transformation de phase CFC en HC. Parallèlement, l'écoulement plastique des dendrites est observé en extrême surface sur quelques dizaines de micromètre d'épaisseur dans la direction de glissement. Cet écoulement est associé à une forte texturation morphologique et cristallographique de la phase identifiée (CFC ou HC), avec une orientation des plans de plus grande densité atomique parallèlement à la surface de glissement. Les résultats montrent également que sous sollicitations tribologiques, un important durcissement est observé en surface (jusqu'à 90%) et une corrélation a pu être établie entre l'augmentation de la microdureté et le taux de déformation plastique
In the field of hot forging of aeronautical parts, the steel dies are commonly hardfaced, on few millimeters thick, by a cobalt-based alloy (Stellite 21) deposited by arc welding (MIG). As part of this thesis, this "classic" hardfacing is compared to Stellite 21 and Stellite 6 hardfacings deposited by two emerging processes in this area, the PTA and the LASER one. The objective is to assess surface damage mechanisms, especially induced by plastic strain, of these various hardfacings. Tribological tests (laboratory and semi-industrial) were used to create surface damage comparable to those observed in industrial dies. Associated with these tests, multiscale microstructural, structural and mechanical investigations have been performed (tensile, bending, microhardness, OM, SEM, STEM, XRD, EBSD). According to the « material/process » couple, plastic strain mechanisms by perfect dislocation glide and by FCC to HCP phase transformation have been identified. The activation of the latter has been connected to the temperature of the allotropic phase transformation (FCC/HCP) in cobalt. This temperature depends on (i) the alloying elements, varying according to the deposited grade (Cr, C, ...), (ii) the dilution (Fe content evolution) connected to the welding parameters and (iii) the number of deposited layer. Moreover, a significant influence of the phase transformation on the evolution of the friction coefficient has been evidenced. Indeed, if the phase transformation is not observed, the friction coefficient is stable during the test, while a drop of the friction coefficient curve is connected with the FCC to HCP phase transformation. Moreover, the plastic flow of dendrites is observed at the extreme surface, on a few tens of micrometres in thickness, in the direction of sliding. It is associated with a high morphologic and crystallographic texturing of the identified phase (FCC or HCP), with the highest atomic density planes mostly oriented parallel to the sliding surface. The results also show that, under tribological laodings, a significant hardening is observed on the surface (up to 90%) and a correlation has been established between the increase in the microhardness and the plastic deformation ratio

L'industrie pétrolière porte un intérêt majeur à l'emploi de matériaux polymères, particulièrement pour la réalisation de pipelines. Ce défi technologique reste constant dans la mesure où des gaz (CH4, CO2, H2S) contenus dans les hydrocarbures ont une grande potentialité de dissolution dans les polymères semi cristallins (polyoléfines, polyamides ou fluorés) sous conditions d'usage sévères en termes de températures (333-403 K) et pressions élevées (0. 1-100MPa). Une rupture de l'équilibre thermodynamique conduit à des gradients de concentration en gaz et de température dans la structure polymérique. Le mécanisme d'endommagement appelé "blistering" qui en résulte peut être véritablement catastrophique pour le matériau, parce qu'irréversible et conduire à la perte de sa fonction d'étanchéité. L'approche amont proposée repose sur l'étude des équilibres d'interactions gaz/ polymères par détermination de grandeurs thermodynamiques relatives aux polymères sous la triple contrainte thermique, barométrique et chimique d'un fluide supercritique (FSC). La quantification de la solubilité de gaz dans les polymères, par couplage du détecteur à fil vibrant à la méthode pVT, relie de façon simple la concentration au changement de volume du polymère. L'estimation du changement volumique du polymère utilise l'équation d'état de Sanchez-Lacombe. Les données ont été corrélées avec le mode dual. La détermination des grandeurs thermo-physiques du polymère en présence de gaz, en particulier le coefficient d'expansion thermique isobare, est accessible pour une méthode couplée calorimétrie-pVT. Une analyse qualitative et quantitative des interactions de sorption/ désorption selon le mode de détection différentiel utilise les modes de balayage en pression et en volume. Enfin, la variation de volume du polymère due à la sorption de gaz est possible par une technique de confinement, et est examinée par mesures en dilatation libre

Pour répondre aux exigences mécaniques de l’arbre de turbine basse pression des moteurs LEAP, Safran Aircraft Engines a développé l’acier martensitique ML340. Grâce à la coprécipitation intermétallique-carbure, ce dernier dispose d’une très haute résistance mécanique mais est sensible aux effets de l’environnement, et plus particulièrement à la corrosion par piqûres. Cette étude vise alors à identifier des leviers d’amélioration vis-à-vis de la prise en compte de ces défauts de surface lors du dimensionnement en fatigue, et vis-à-vis des mesures de prévention et protection mises en œuvre pour limiter leur apparition. Dans cet objectif, une caractérisation de la microstructure et des propriétés mécaniques de l’acier ML340, ainsi que de sa sensibilité à la corrosion et à l’hydrogène, a d’abord permis de mettre en évidence des interactions fortes matériau-environnement susceptibles de favoriser l’amorçage de fissures en fatigue. Des essais de fatigue uniaxiale (R=0) en milieu NaCl, conduits à différentes fréquences, ont ensuite permis de quantifier l’effet de la corrosion sur la tenue en fatigue de l’acier ML340, d’identifier des effets de synergies entre microstructure, chargement mécanique et corrosion, et enfin de questionner l’implication de l’hydrogène dans les processus d’amorçage et propagation de fissures. Un scénario d’endommagement en fatigue-corrosion a alors été établi et simplifié en étapes élémentaires. Sur cette base, un modèle prévisionnel analytique a finalement été proposé. Il permet une estimation fiable de la durée de vie en fatigue-corrosion avec notamment la prise en compte des effets de fréquence observés expérimentalement.-------------------------------------------------------
To meet the high mechanical requirements of the low-pressure turbine (LPT) shaft in the LEAP turbofan engines, a very high strength steel has been developed by Safran Aircraft Engines. The structural parts of engines must withstand harsh conditions, including cyclic loading and corrosive environment. This study aims to identify improvement levers with respect to the consideration of corrosion during the LPT shaft design and maintenance, but also to the prevention and protection actions set up to limit its apparition. For this purpose, a microstructural and mechanical characterization of the material, coupled with a study of its sensitivity to corrosion and hydrogen, has first allowed to highlight strong material-environment interactions, likely to promote fatigue crack initiation. Alternated uniaxial fatigue tests (R=0), conducted at different frequencies in a NaCl environment, allowed to quantify the effect of corrosion on the ML340 fatigue resistance, to identify synergistic effects between microstructure, cyclic stresses and deformation, and corrosion, and finally to investigate the possible role of hydrogen produced by cathodic reactions. From these results, the corrosion fatigue damage process was simplified into elementary steps and a predictive analytical model was finally proposed. A reliable estimation of the corrosion fatigue resistance has been obtained, especially regarding the frequency effects observed experimentally.-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

La fabrication additive est un procédé offrant de nouvelles opportunités aux industriels pour fabriquer des pièces complexes, sans outillage spécifique et en optimisant la matière utilisée.Cette thèse présente les propriétés mécaniques de pièces réalisées par fabrication additive et l’analyse des mécanismes d’endommagement associés, en ayant comme référence les propriétés mécaniques des procédés de fonderie et de corroyage. Ce type d’analyse est indispensable pour l’industrialisation du procédé.Les propriétés en traction et en fatigue, sur des éprouvettes en titane Ti-6Al-4V et en aluminium AlSi7Mg0,6, ont été mesurées. Les effets du procédé de fabrication, de la direction de fabrication, du post-usinage et des post-traitements thermiques ont été comparés. Les propriétés sont au moins au niveau de la fonderie.Ces résultats ont été analysés en corrélation avec les microstructures et les faciès de rupture, afin de dégager des mécanismes d’endommagement. Les critères permettant de mesurer la criticité des défauts ont été définis.Certaines de ces hypothèses ont pu être vérifiées grâce à des essais de traction in situ au micro tomographe
Additive manufacturing offers new opportunities for industries to manufacture complex parts with no additional tooling and better optimization of the material used.This thesis is about the analysis of the mechanical properties and the damaging mechanisms of parts produced by additive manufacturing, using mechanical properties of casted and wrought parts as reference. This type of analysis is necessary in order to industrialize the process.The tensile and fatigue properties on Titanium Ti-6Al-4V and Aluminium AlSi7Mg0,6 were measured. The effects of the process, the manufacturing direction, the post-machining and the post-heat treatments were compared. Properties are at least at the level of casting.A correlation of these results with microstructures and fracture surfaces was made in order to extract the damaging mechanisms. A method to measure the criticity of the defects in a part was defined. Some of these hypotheses were verified using microtomographic in situ tensile tests

Les techniques d'élaboration de dépôts par voie sèche, plus respectueuses de l'environnement que la plupart des techniques généralement utilisées dans l'industrie, sont actuellement en plein essor. Les techniques de dépôt physique (PVD) en phase vapeur sont aujourd'hui utilisées dans un très grand nombre de domaines industriels, plus particulièrement pour l'amélioration des performances mécaniques et tribologiques des pièces en service soumises à des sollicitations cycliques. Les méthodes de caractérisation mécanique usuelles telles que le scratch test, les essais de frottement pion/plan et la micro/nanoindentation, sont souvent mal adaptées pour prédire à elles seules la durée de vie et les mécanismes d'endommagement en service des dépôts. Afin d'identifier ces mécanismes d'endommagement, un dispositif d'essai d'impacts a été instrumenté, étalonné pour contrôler parfaitement les paramètres d'essai. Ensuite des essais d'impacts répétés à courte ou longue durée ont été réalisés. Lors de ces compagnes d'essais un mécanisme de rupture par flambement et cloquage a été observé et confirmé. Dans le but mieux comprendre les conditions de formation des cloques observées et de pouvoir contrôler leur apparition, une étude expérimentale de l'influence des paramètres du dépôt, du substrat et des conditions de l'impact a été menée. Un modèle numérique par éléments finis de la sollicitation d'impact a également été réalisé et les résultats issus de la simulation ont ensuite été comparés aux résultats expérimentaux obtenus. L'étude a finalement mis en évidence l'existence d'une épaisseur critique de film sur le cloquage, d'une relaxation de contrainte liée au flambement et le rôle important de la microstructure du substrat dans l'amorçage des cloques.

Les courroies étudiées subissent des sollicitations mécaniques complexes et des variations thermiques jusqu’à 160°C. Pour améliorer leurs durées de vie, les propriétés de l’interface entre le câblé PA 4,6 adhérisé RFL et la matrice EPDM doivent être optimisées. Dans ces travaux, les courroies ont subi un endommagement par fatigue et les essais ont été arrêtés après différents nombres de cycles afin de caractériser l’interface câblé/caoutchouc. Les analyses en microscopie électronique ont révélé trois mécanismes d’endommagement:  La dégradation de la structure interne du câblé  La propagation de décohésions fibrillaires à l’interface RFL/caoutchouc  L’apparition d’arrachements fibre polyamide/RFL Ces endommagements ont été corrélés à des rigidifications interfaciales (nanoindentation), une évolution des propriétés viscoélastiques de la structure (DMA) et une diminution des valeurs d’adhérence (pelage ou arrachement). Des analyses physicochimiques, principalement Tof-SIMS, ont permis de déterminer la composition interfaciale initiale et de corréler son évolution aux endommagements constatés
Studied belts undergo complex mechanical stress and thermal variations up to 160°C. To enhance their service life, the interfacial properties between the PA 4, 6 cord, coated with RFL, and the EPDM matrix must be improved. In this study, fatigue tests on belts were stopped after various numbers of cycles in order to characterize the interface between cord and rubber. Electron Microscopy revealed three different mechanisms for mechanical damage:  Degradation of the inner cord structure  Propagation of fibrillar microcracks at the RFL/rubber interface  Appearance of RFL/polyamide microfiber debondings This damage was associated with interfacial hardenings (nanoindentation), viscoelastic properties variations of the structure (DMA) and a decrease in adhesive values (peeling or pulling out). Physicochemical analyses, mainly by Tof-SIMS, enabled to determine interfacial composition and to link its evolution with observed mechanical damage

Les composites SiC/SiC sont envisagés comme matériaux pour des composants de cœur de réacteurs nucléaires du futur. Le dimensionnement de ces structures par la simulation numérique repose sur une modélisation du comportement mécanique de ces matériaux. Ces travaux visent à améliorer la compréhension de leurs mécanismes de déformation afin de construire une loi de comportement à même de prédire la réponse du matériau sous chargements complexes. Une caractérisation approfondie du comportement macroscopique de tubes SiC/SiC multicouches - similaires aux concepts de gaines de combustibles - a été entreprise, par des essais de traction-pression interne, traction-torsion et flexion multi-instrumentés, et a permis de constituer une importante base expérimentale pour la compréhension des mécanismes d'endommagement et l'identification de modèles. Des observations in-situ et après rupture ont permis de quantifier l'orientation des fissures matricielles observées en surface en fonction du type de chargement appliqué. Des mesures de champs de déplacement par Corrélation d'Images Numériques à l'échelle d'un motif du textile ont permis d'apporter des informations fines sur la cinématique de la surface du composite, telles que l'ouverture des fissures ou la déformation des fragments matriciels. Ces mesures ont également permis de mettre en évidence l'importance de la réorientation des torons dans la direction de chargement, mécanisme pouvant expliquer certaines spécificités du comportement macroscopique du fait de son couplage avec la fissuration matricielle. Enfin, ces différentes données expérimentales ont permis de construire un modèle phénoménologique, identifiable sur quatre essais uniaxiaux, permettant de prédire de manière satisfaisante le comportement macroscopique sous divers chargements bi-axés. L'accord de certaines quantités locales, telles que les caractéristiques de la fissuration en traction, ont également été vérifiées
SiC/SiC composites are candidate materials for in-core components of future nuclear reactors. The analysis of these structures using numerical simulations requires material constitutive laws. The present work focuses on understanding the deformation mechanisms of these materials in order to build a constitutive model able to predict their stress-strain response under complex loadings. An extensive characterization of the mechanical behaviour of SiC/SiC multi-layered tubes – similar to fuel cladding concepts - was carried out, using tension-internal pressure, tension-torsion and bending tests, that allowed to build an important experimental basis for the understanding of the mechanisms and the identification of constitutive laws. In-situ and post-failure observations have allowed quantifying the orientation of surface matrix cracks as a function of the loading type. Full-field measurements using Digital Image Correlation at the tow scale brought precise information on the composite surface kinematics, such as the crack opening or the deformation of the matrix fragments. These measurements also evidence the importance of the tow reorientation, that could explain specific features of the macroscopic behaviour because of its coupling with matrix cracking. Finally, these experimental data allowed to build a constitutive model, identified on only four uniaxial tests, able to predict satisfactorily the macroscopic behaviour under several biaxial loadings. The correct prediction of local quantities, such as the characteristics of the matrix cracking in tension, has also been verified

Dans cette thèse, les mécanismes de rayures en contact glissant sur des empilements de couches minces de faible adhésion ont été étudiés grâce à un tribomètre bille/plan à vision in-situ. Dans le cadre de ce travail, des expériences ont été menées sur un empilement modèle : verre/ZnO/Ag/ZnO/Si3N4 et l'impact de plusieurs paramètres a été étudié : force, taille de la bille, épaisseur de la surcouche, adhésion et coefficient de frottement.Nous avons montré que la rayure se déroule en trois phases successives : initiation, développement et régime stationnaire. L'initiation débute par une fissuration transverse de l’empilement suivi par un délaminage due à la bifurcation de la fissure à l’interface au-dessus de l’argent. Seule la taille caractéristique de ces phénomènes dépend de paramètres comme l'épaisseur des couches ou l'adhésion. Après l'initiation, un phénomène de plissage en milieu confiné se produit et permet de débuter la construction d'un tas de débris à l’avant du frotteur par accumulation. Finalement, en régime stationnaire, on constate que la rayure est uniquement pilotée par l’interaction entre le tas de débris et la couche. On a montré que la complexité de cette interaction rend toute mesure d’adhésion à partir des caractéristiques post-mortem de la rayure quasi-impossible.Finalement, il a été montré qu'il est possible d'améliorer la résistance à la rayure d’un empilement en texturant à l'échelle nanométrique sa couche d'argent. L’origine de cette amélioration vient d’une augmentation de l'adhésion par un effet de piégeage qui a été étudié à l'aide d'expériences de clivage
In this PhD thesis, the scratch mechanisms during sliding contact on thin layers with low adhesion have been investigated with a ball on plane tribometer that allows in-situ microscopic observations. In this work, experiments were carried out on glass/ZnO/Ag/ZnO/Si3N4 model stacks and the impact of several parameters was studied: force, size of the ball, thickness of the overcoat, adhesion and friction coefficient.We have shown that the scratch process has three successive phases: initiation, development and steady state. Initiation begins with transverse cracks in the stack followed by delamination due to crack bifurcation at the interface above the silver layer. Only the characteristic size of these phenomena depends on parameters such as the thickness of the layer or its adhesion. After initiation, a phenomenon of pleating occurs even if confined under the contact and leads to the building of a pile of debris at the front of the contact zone by accumulation. Finally, in steady state, the scratch is only driven by the interaction between the pile of debris and the layers. It has been shown that the complexity of this interaction makes quasi-impossible any measure of adhesion based on the post mortem characteristics of the scratch.Finally, it has been shown that it is possible to improve the scratch resistance of a stack by patterning its silver layer at nanoscale. The origin of this improvement derives from an increase of adhesion due to pinning effect which has been demonstrated by using cleavage experiments