Academic literature on the topic 'Fatigue à grand nombre de cycles (HCF)'

Les propriétés en fatigue à grand et très grand nombre de cycles des superalliages base Ni monogranulaires ont été étudiées à 1000°C sous trois fréquences (0.5, 70 et 20000 Hz) et quatre rapports de charge (-1, 0.05, 0.3, 0.8), en prenant le CMSX-4 comme alliage de référence.Dans un premier temps, le régime de fatigue à très grand nombre de cycles a été étudié à 20 kHz. A R = -1, la fissure fatale s’amorce à chaque fois depuis un pore de fonderie en interne et se propage suivant les plans cristallographiques {111}, pour des durées de vie entre 106 et 109 cycles, et ce malgré la présence d’autres défauts tels que les eutectiques ou carbures. Le procédé d’élaboration, en impactant directement la taille des pores de fonderie, contrôle la durée de vie alors que la microstructure a peu d’influence. A R = 0.8, le fluage contrôle la durée de vie en fatigue gigacyclique, et rend alors ce régime sensible à la microstructure et à la composition chimique de l’alliage. Les essais à très longues durées de vie (> 109 cycles) ont également été caractérisés et ont permis de proposer un mécanisme d’amorçage dans ce régime de fatigue.Dans un second temps, l’influence de la fréquence d’essai sur les endommagements dépendants du temps tels que l’oxydation et le fluage, et leur interaction, a été étudiée. A R ≤ 0, diminuer la fréquence d’essai revient à inhiber la criticité des défauts internes en favorisant l’endommagement en surface par oxydation. A R ≥ 0.8, le fluage est l’endommagement conduisant à la rupture des éprouvettes quelle que soit la fréquence de sollicitation ou la durée de vie. Les rapports de charge intermédiaires présentent une interaction importante entre les endommagements en oxydation, fatigue et fluage en fonction de la fréquence de sollicitation et des conditions de chargement. A partir de ces observations, un modèle d’endommagement a été proposé afin de prédire la durée de vie du CMSX-4 et présente des résultats satisfaisants par rapport aux données expérimentales
High and very high cycle fatigue properties of Ni-based single crystal superalloys have been studied at 1000°C using three frequencies (0.5, 70, 20000 Hz), four stress ratios (-1, 0.05, 0.3, 0.8) and CMSX-4 alloy as reference.Firstly, the very high cycle fatigue regime (VHCF) has been studied at 20 kHz. At R = -1, fatal crack always initiates between 106 and 109 cycles from an internal casting pore et then propagates in a crystallographic mode, despite the presence of other metallurgical defects such as eutectics and carbides. The elaboration process controls VHCF life under these conditions as it directly affects casting pore size, whereas microstructure has no relevant influence. At R = 0.8, creep controls VHCF life and makes this regime sensitive to microstructure and alloy’s chemical composition. Long term tests (> 109 cycles) have also been characterized and have enabled to propose a crack initiation mechanism operating in the VHCF regime.Secondly, the influence of frequency on time-dependent damages such as oxidation and creep, and their interaction, has been studied. At R ≤ 0, reducing frequency inhibits the harmfulness of internal critical defects by promoting oxidation surface damage. At R ≥ 0.8, creep damage leads to specimens rupture for all frequency test and loading conditions. Intermediate stress ratios present an important interaction between oxidation, fatigue and creep damage according to the frequency and loading conditions. Based on these observations, a damage model that predicts CMSX-4 fatigue life has been proposed and presents satisfying results in comparison to experimental data

Les structures industrielles sont soumises à des sollicitations complexes dont certaines biaxiales. Afin d'étudier de manière expérimentale l'influence de la biaxialité du chargement sur la durée de vie, des essais de fatigue biaxiale à grand nombre de cycles sont menés sur matériaux acier inoxydable austénitique 304L CLI, et alliage de titane. Une géométrie d'éprouvette en croix, affinée en son centre a été dimensionnée pour cette étude. Une vingtaine d'essais en efforts imposés, à température ambiante ont été menés avec divers types de chargements. Des moyens sophistiqués de prises de vues sont mis en place, et permettent par corrélation d'images, de caractériser les déformations plastiques et amplitudes de déformations. Pour prendre en compte la dispersion expérimentale de la limite de fatigue d'un matériau métallique, le modèle d'endommagement et de fatigue à deux échelles est rendu probabiliste dans la nouvelle version du post-processeur DAMAGE_2009. Enfin, l'ajout d'un terme de Drucker-Prager dans la fonction critère du modèle permet de mieux retranscrire l'effet de contrainte moyenne sur la durée de vie.

Ces travaux de thèse concernent l’effet des hétérogénéités microstructurales sur la tenue en fatigue multiaxiale à grand nombre de cycles (FGNC) d’alliages d’Al-Si de fonderie utilisés dans un contexte automobile. Les hétérogénéités microstructurales caractéristiques de cette famille de matériau sont la matrice d’aluminium (souvent caractérisée à l’aide la DAS et/ou la SDAS et du niveau de durcissement par précipitation), les inclusions (particules de silicium, intermétalliques) et les défauts de fonderie (films d’oxyde et surtout porosités).Afin de découpler clairement ces effets, trois nuances d’alliages d’aluminium de fonderie obtenues à l’aide de différents procédés (coulée en coquille, coulée par procédé à moule perdu) et associées à plusieurs traitements thermiques (T7, Compression isostatique à chaud (CIC)) ont été étudiées. Le traitement CIC a en particulier été employé afin d’obtenir une microstructure exempte de pore. Une vaste campagne d’essais en FGNC a été conduite pour quatre modes de chargement : uniaxial (R=-1), torsion (R=-1), traction-torsion combinées (R=-1) et traction équibiaxiale (R=0.1). Les effets sur le comportement en FGNC ont été identifiés pour les matériaux avec et sans pores : effet de la multiaxialité pour les chargements à R=-1, effet de la contrainte moyenne et effet de la biaxialité en traction biaxiale à R=0.1. Une attention particulière a été portée à la caractérisation des mécanismes d’endommagement dans l’objectif de mettre en évidence le role des pores, de la matrice d’aluminium, des inclusions dans les mécanismes d’endommagement, et ceci pour les différentes modes de chargement.Deux approches analytiques ont ensuite été proposées. La première concerne la modélisation de l’effet de volume sollicité sur la tenue en fatigue sous chargement uniaxial en présence de pore en se basant sur une approche de prédiction de la taille maximale de pore dans un volume donné. La seconde, basée sur une approche probabiliste, est dédiée à la simulation du diagramme de Kitagawa-Takahashi pour différents modes de chargement. Ces deux approches conduisent à des résultats en accord avec l’expérience, ceci pour les différents matériaux et conditions étudiées.La dernière partie propose une analyse 3D par éléments finis de l’effet des pores sur la résistance en fatigue. L’analyse repose sur l’utilisation de la géométrie réelle des pores, obtenue à l’aide d’observations en micro-tomographie RX 3D. Ce travail a pour but d’évaluer la possibilité de prédire la limite de fatigue à l’échelle macrosopique à partir de la réponse mécanique "locale" au voisinage des pores critiques
This work treats the influence of the microstructural heterogeneities on the multiaxial high cycle fatigue (HCF) strength of cast aluminium alloys used in an automobile context. The characteristic microstructural heterogeneities present in this family of materials are the aluminium matrix (often characterised by the SDAS and/or the DAS and the precipitation hardening level), inclusions (silicon particles and intermetallics) and casting defects (oxide films and casting porosity).In order to clearly decouple these effects, three cast Al-Si alloys, obtained thank to different casting processes (gravity die casting and lost foam die casting) and associated with several heat treatments (T7 and Hot isostatic pressing-HIP), have been investigated. The HIP treatment is used in order to obtain a porosity free alloy. A vast experimental HCF campaign, including four loading modes (uniaxial (R=-1), torsion (R=-1), combined tension-torsion (R=-1) and equibiaxial tension (R=0.1)) has been undertaken. The following effects on the HCF behaviour have been characterised for the porosity free alloy as well as porosity containing alloys: (a) the effect of the multiaxiality (for the loading modes at R=-1), (b) the effect of the mean stress and (c) the effect of the biaxality (for equibiaxial tensile loads at R=0.1). The fatigue damage mechanisms have been studied in order to highlight the roles of the casting pores, the aluminium matrix and the inclusions on the fatigue damage mechanisms.Two analytical fatigue models are proposed. The first one concerns the effect of the loaded volume on the uniaxial fatigue strength of the porosity containing alloys using an approach to predict of the maximum pore size in a given volume. The second model, based on a probabilistic approach, takes into account the competition between the different observed damage mechanisms and leads to a Kitagawa-Takahashi type diagrams for different loading modes. It is shown that these analytical models result in good predictions for the three materials investigated and the four loading modes.A numerical study, presented in the last section, is related to the 3D finite element analysis of real pores. Real pore geometries are obtained thank to micro-tomography observations. The principal aim of this study is to evaluate the possibility of predicting the fatigue strength at the macroscopic scale thanks to the local mechanical behaviour around critical pores

Les lignes d’arbres de transmission navale sont soumises à des chargements cycliques complexes. Afin de caractériser en fatigue ces lignes d’arbres, deux objectifs complémentaires sont achevés. Dans un premier temps, les chargements des lignes d’arbres sont caractérisés afin d’identifier des cycles de fatigue pertinents. Lors de cette étape, une méthode paramétrique originale de dimensionnement en fatigue est mise en place. Cette méthode repose sur une modélisation des chargements avec une prise en compte de leur variabilité, de la contrainte moyenne et de la non-proportionnalité. Cette méthode montre qu’il existe deux modes d’endommagement avec un mode associé au régime cyclique établi de la flexion rotative et un mode associé aux manoeuvres du navire. Dans un second temps, une méthode de caractérisation rapide est mise en place afin d’étudier le comportement des aciers des lignes d’arbres en fatigue pour un grand nombre de configurations de chargements. Un modèle permettant d’identifier le comportement en fatigue à grand nombre de cycles, à partir des mesures d’autoéchauffements, est employé. Les aciers de l’étude sont caractérisés en traction-torsion pour diverses configurations de contraintes moyennes et de non-proportionnalité du chargement. Dans ce cadre, la notion de surface d’iso-auto-échauffement est introduite. Elle permet, pour une éprouvette, de modéliser le comportement élastoplastique et dissipatif du matériau dans l’espace dédié des contraintes. Leur utilisation permet de définir un critère de fatigue multiéchelle basé sur les invariants du tenseur des contraintes. Dans l’étude, une modélisation du comportement du matériau est proposée pour les chargements de très faible amplitude (fatigue à très grand nombre de cycles VHCF) montrant une différence forte de dissipation par rapport au régime d’amplitudes plus importantes (i.e. le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles HCF)
Marine shaft lines undergo complex cyclic loadings. In order to characterize these structures in fatigue, two complementary objectives are achieved. Firstly, the marine shaft’s loads are characterized in order to identify relevant fatigue cycles. During this step, an original parametric fatigue design method is implemented. This method is based on the definition of an equivalent load considering multiaxiality, variability, non-proportionality and mean stress. This method allows to distinguish two damage modes with a mode associated with the established cyclic regime of rotary bending and a mode associated with the ship’s maneuvers. Secondly, a rapid characterization method is implemented to characterize in fatigue the marine shafts’ steels for a large number of loading configurations. The method is based on a model which enables fatigue identification behaviors from self-heating measurements. The steels of the study are characterized in tension-torsion for various configurations of mean stress and nonproportionality of the loading. In this context, the notion of iso-self-heating surfaces is introduced. It allows, for a specimen, to model the elastoplastic and dissipative behavior of the material in the dedicated stress space. Their use makes it possible to define a multiscale fatigue criterion based on the invariants of the stress tensor. In the study, a modeling of the behavior of the material is proposed for very low amplitude loads (VHCF) exhibiting a strong difference in dissipation compared to the regime of higher amplitudes (i.e. HCF domain)

Il été prouvée dans plusieurs études de la littérature que la taille d'un composant affecte sa tenue en fatigue et cette tendance est plus prononcée dans le régime de fatigue à grand nombre de cycles. Plus précisément, une baisse de la limite de fatigue est observée et est souvent expliquée par l’augmentation, avec l’augmentation du volume sollicité, de la probabilité de trouver un défaut critique ou une zone plus faible dans le matériau. Le présent mémoire fait partie d'un projet de recherche français (QUAUSI) regroupant plusieurs partenaires industriels et académiques qui vise à contrôler la qualité d'usinage des composants structuraux d'avions. Un des défis consiste à définir un critère approprié d'acceptabilité de défauts pour la conception en FGNC. Le critère doit être capable de prendre en compte une large gamme de défauts de surface et de composants de tailles et de géométries différentes. L'objectif principal étant de mieux comprendre l'impact des états de surface périodiques (caractéristique du type d'usinage utilisé) sur la limite de fatigue, Il a fallu d'abord vérifier si un effet de taille peut être observé quand un nombre croissant de défauts de surface simples sont introduits à la surface d'échantillons polis. Le matériau d’étude est l’alliage d'aluminium 7050 (Al Zn6CuMgZr). Une grande campagne d'essais de fatigue sous charge de flexion plane à R=-1 est effectuée sur des éprouvettes présentant des défauts hémisphériques, de différents tailles et nombres, et des états de surface usinés. Les résultats des essais ont permis de caractériser à la fois l'effet Kitagawa et l'effet d'échelle sur la tenue fatigue. Une approche probabiliste basée sur le concept du maillon le plus faible associé à un critère d'amorçage de fissure de fatigue approprié est utilisée pour prendre en compte la répartition des contraintes et la taille du volume fortement sollicité. Les prédictions utilisant des simulations EF montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux et illustrent l'importance de prendre en compte l'effet d'échelle lors de la conception de composants contenant différents types de défauts de surface ou de motifs de rugosité.Mots-clés : Défaut de surface, fatigue à grand nombre de cycles, diagramme de Kitagawa-Takahashi, Le plus faible concept de lien, alliage AA7050
The size of a component has been proved in several studies of the literature to affect the fatigue strength and this trend is known to be more pronounced in the High Cycle Fatigue regime. More exactly a drop of the fatigue limit is observed and this evolution is very often explained by the probability to find a critical defect or a weakest zone in the material as the stressed volume rises. The present manuscript is part of a French research project gathering several industrial and academic partners that aims to control the machining quality of aircraft structural components. For one part of the project the challenge is to define a proper defect acceptability criterion for HCF design purpose. It must be able to account for a large range of surface defects and of component sizes and geometries. Even though the primary objective was to better understand the impact of periodic surface micro-geometry patterns (characteristic of the type of machining used) on the fatigue limit, we thought that it was first necessary to check if a size effect can be observed when an increasing number of artificial simplified surface defects are introduced at the surface of smooth specimens. The aeronautical material under investigation is a 7050 Aluminum alloy (Al Zn6CuMgZr). A large fatigue testing campaign under fully reversed plane bending loading is undertaken on specimens with artificial surface hemispherical defects. Defect number varies from 1 to 44 per specimen whereas their size ranges from 60 µm to 800 µm. Testing results allow the characterization of both Kitagawa effect and scale effect on the fatigue response. A probabilistic approach based on the weakest link concept together with a proper fatigue crack initiation criterion is used to account for the stress distribution and the size of the highly stressed volume. Predictions using FE simulations show a good agreement with experimental results and illustrate the importance of taking the scale effect into account while designing components containing different types of surface defects or roughness patterns.Keywords : Surface defect, HCF, Kitagawa-Takahashi diagram, Weakest link concept, AA7050 alloy

Ce travail de thèse aborde les conditions et les mécanismes qui conduisent des fils superélastiques de NiTi à la rupture sous chargement mécanique cyclique. Les alliages à mémoire de forme du type NiTi présentent des propriétés thermomécaniques fonctionnelles comme la superélasticité et l’effet de mémoire de forme simple et double, lesquels sont générées grâce aux transformations de phase martensitiques provoquées soit par un changement de la contrainte ou de la température. Ces transformations de phase sont en principe des processus totalement réversibles et sans endommagement. Cependant, lorsque le NiTi est soumis à des transformations de phase induites par des contraintes cycliques, la performance en fatigue de l’alliage chute considérablement par rapport au NiTi non-transformant. La plupart des courbes S-N de fatigue rapportant cette chute ont été mesurées sur des fils NiTi a section constante dans lesquels les transformations martensitiques se développent de façon hétérogene par nucléation et propagation de bandes de cisaillement. De plus, d'après notre expérience, des essais de fatigue sur des échantillons de fils à section constante entrainent la rupture à l'intérieur des mors de la machine d'essai. Par conséquent, les valeurs de contrainte-déformation rapportées dans les courbes S-N ne sont pas nécessairement représentatives des conditions mécaniques critiques qui conduisent le matériau à la rupture. Dans le but de mieux caractériser les performances en fatigue des fils NiTi, nous avons effectué une série de tests de fatigue en traction-traction, tout en utilisant des échantillons sous forme ≪ diabolo ≫. La géométrie de ces échantillons nous a permis de confiner tous les processus de transformation martensitique et de fatigue dans un volume utile bien défini. La caractérisation du comportement thermomécanique de ces échantillons a été réalisée en combinant plusieurs techniques expérimentales et d'analyse telles que la corrélation d'image numérique(DIC), la thermographie infrarouge, la diffraction des rayons X à source synchrotron, la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage et l'analyse par éléments finis. Une attention particulière à été portée à la performance de NiTi dans le régime à grand nombre de cycles (HCF) dans laquelle le matériau présente un comportement élastique ou une transformation de phase intermédiaire (appelée R-phase). Les résultats des tests de fatigue nous ont permis de distinguer les étapes de nucléation et de propagation des fissures pendant la durée de vie totale de nos échantillons. Afin de mieux comprendre les mécanismes qui conduisent à la nucléation des fissures, nous avons appliqué la méthode de l’auto-échauffement, qui a démontré son efficacité dans la prédiction de fatigue dans les cas des alliages d'aluminium et des alliages d'acier. Cette méthode corrèle l'élévation de température d'un échantillon soumis à différentes amplitudes de charge cyclique avec des mécanismes de dissipation d'énergie. Ces mécanismes dissipatifs sont après associés à l’accumulation d’endommagement locale dans le matériau. La méthode d'autoéchauffement a été réalisée en utilisant des mesures de champs thermiques des d'échantillons de NiTi sous forme diabolo pendant de chargement cyclique
This Ph.D. dissertation thesis addresses the conditions and mechanisms that lead superelastic NiTi wires to fail under cyclic mechanical loads. NiTi shape memory alloys exhibit functional thermomechanical properties (superelasticity, shape memory effect, thermal actuation) due to martensitic phase transformations caused by a change of the applied stress and temperature. These phase transformations are though as fully reversible damage-free processes, however, when NiTi is subjected to repetitive stress-induced phase transformations its fatigue performance drops drastically in comparison to non-transforming NiTi. Most of fatigue S-N curves reporting this drop were measured on straight NiTi wires in which martensitic transformations proceed heterogeneously through nucleation and propagation of shear bands. Moreover, from our experience fatigue testing straight wire samples results in undesired failure inside the testing machine clamps. Hence, the reported stress-strain values in S-N curves are not necessarily representative of the critical mechanical conditions that lead the material to failure. With the aim of better characterize the fatigue performance of NiTi wires, we started by carrying out a series of pull-pull fatigue tests using hourglass-shaped samples. This sample geometry allowed us to confine all martensitic transformation and related material fatigue processes into a well-defined gauge volume. The samples’ characterization was performed by combining several experimental and analysis techniques such as Digital Image Correlation, Infrared Thermography, Synchrotron-source X-ray diffraction, Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy and Finite Element Analysis. A special attention was paid to the High Cycle Fatigue (HCF) performance of NiTi in which the material shows elastic behavior and/or an intermediate phase transformation (so-called R-phase). The results from HCF tests allowed us to distinguish crack nucleation and crack propagation stages during the total life of our NiTi samples. In order to get a better understanding of the mechanisms that lead to crack nucleation, we applied the nonconventional Self-Heating fatigue assessment method, which has shown efficiency in the case of aluminum and steel alloys. This method correlates the temperature elevation of a sample subjected to different cyclic load amplitudes with energy dissipating mechanisms that contribute to accumulating local damage in the material. The Self-Heating method was performed using full-field thermal measurements of cyclically loaded NiTi hourglass-shaped samples

Cette étude présente une analyse mécanique et énergétique de la fatigue des matériaux métalliques à grand et très grand nombre de cycles. Des bilans d'énergie en fatigue sont réalisés à partir de techniques d'imagerie quantitatives. Les sources de chaleur sont déterminées à partir des champs de température mesurés par caméra infrarouge. Les champs cinématiques sont obtenus en utilisant une technique de corrélation d'images numériques et permettent d'estimer l'énergie de déformation mise en jeu. Un premier objectif est d'analyser la pertinence énergétique des concepts de limite de fatigue et d'état cyclique stabilisé. Un deuxième objectif est de comparer les champs de dissipation à l'échelle mésoscopique aux distributions de bandes de glissement. Enfin, la comparaison d'essais de fatigue conventionnelle (30-50 Hz) et ultrasonique (20 kHz) permet d'analyser les effets de la fréquence sur le comportement dissipatif du matériau.

Les mécanismes de rupture par fatigue, établis par les modèles traditionnels de prévision de la durée de vie en fatigue, sont simplifiés, mais ne peuvent caractériser la rupture par fatigue en présence d'entaille d'une manière satisfaisante. En outre, dans la plupart des cas, ils sont limités à la prévision de la limite d'endurance. Nous proposons, basé sur une approche volumétrique permettant d'obtenir une meilleure prévision de durée de vie en fatigue, comparée aux autres méthodes. Selon ce modèle, la rupture par fatigue n'est pas tributaire d'un point, mais d'un volume physique, suffisant pour présenter le comportement en fatigue d'une pièce. Ce volume ou l'endommagement par fatigue a un caractère élasto-plastique, est appelé zone effective. Elle dépend à la fois de la géométrie, du matériau, du type de sollicitation et du niveau de chargement. Ce modèle tient compte de quelques facteurs importants en fatigue : comportement élasto-plastique du matériau, distribution de la contrainte au fond d'entaille, en particulier la relaxation et le gradient relatif de contrainte, zone d'élaboration du processus de la rupture par fatigue, introduite par la distance effective. En faisant intervenir le gradient relatif de contrainte dans le calcul du coefficient de concentration de contrainte en fatigue et de la contrainte effective, cette méthode donne de meilleurs résultats de prévision de la durée de vie, pour tous types de sollicitations. Pour les essais multiaxiaux, une extension de la méthode volumétrique, permet de prévoir la rupture par fatigue, quel que soit le type du chargement, utilisant deux courbes de référence. Dans ce contexte, la modification de l'état de contrainte sous sollicitation simple, due à l'effet d'entaille et de la surface libre, a été étudiée. Enfin, une méthode pratique de calcul de la durée de vie en flexion rotative a partir de la fatigue uniaxiale, est introduite.