Dissertations / Theses: 'Fatigue à grand nombre de cycles (HCF)'

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Cervellon, Alice. "Propriétés en fatigue à grand et très grand nombre de cycles et à haute température des superalliages base nickel monogranulaires." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2018. http://www.theses.fr/2018ESMA0009/document.

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Abstract:

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

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Barbier, Grégory. "Fatigue biaxiale à grand nombre de cycles : étude expérimentale et modèle d'endommagement à deux échelles probabiliste." Phd thesis, École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00572928.

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Abstract:

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.

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Le, Viet Duc. "Etude de l’influence des hétérogénéités microstructurales sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles des alliages d’aluminium de fonderie." Thesis, Paris, ENSAM, 2016. http://www.theses.fr/2016ENAM0012/document.

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Abstract:

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

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Guellec, Corentin. "Caractérisation en fatigue à grand nombre de cycles par mesures d’auto-échauffement des aciers d’arbres de transmission pour application navale sous chargements cycliques complexes." Electronic Thesis or Diss., Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne, 2023. http://www.theses.fr/2023ENTA0001.

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Abstract:

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)

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Abroug, Foued. "Effet des défauts d’usinage sur la tenue en fatigue de pièces aéronautiques." Thesis, Paris, ENSAM, 2018. http://www.theses.fr/2018ENAM0016/document.

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Abstract:

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

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Alarcon, Tarquino Eduardo Augusto. "Structural fatigue of superelastic NiTi wires." Thesis, Brest, 2018. http://www.theses.fr/2018BRES0019/document.

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Abstract:

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

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Blanche, Antoine. "Effets dissipatifs en fatigue à grand et très grand nombre de cycles." Phd thesis, Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00784772.

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Abstract:

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.

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Doudard, Cédric. "Détermination rapide des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles à partir d'essais d'échauffement." Cachan, Ecole normale supérieure, 2004. http://www.theses.fr/2004DENS0036.

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Qilafku, Genti. "Effet d'entaille à la fatigue en grand nombre de cycles : rôle du gradient de contrainte." Metz, 2000. http://docnum.univ-lorraine.fr/public/UPV-M/Theses/2000/Qilafku.Genti.SMZ0010.pdf.

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Abstract:

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.

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QILAFKU, GENTI Pluvinage Guy. "EFFET D'ENTAILLE A LA FATIGUE EN GRAND NOMBRE DE CYCLES. ROLE DU GRADIENT DE CONTRAINTE /." [S.l.] : [s.n.], 2000. ftp://ftp.scd.univ-metz.fr/pub/Theses/2000/Qilafku.Genti.SMZ0010.pdf.

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Marti, Nicolas. "Effets de la fréquence et de la température sur les mécanismes de microplasticité en fatigue à grand et très grand nombre de cycles." Thesis, Paris, ENSAM, 2014. http://www.theses.fr/2014ENAM0041/document.

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Abstract:

Il existe actuellement une demande croissante pour le développement de méthodes expérimentales rapides et fiables permettant d'estimer la résistance à la fatigue dans le domaine de la fatigue à grands nombres de cycles. En ce sens, la fatigue ultrasonique apparue dans les années cinquante est très intéressante pour les industriels. En effet, la fréquence typique de ces essais est de 20 kHz ce qui permet d'atteindre le domaine des très grandes durées de vie en des temps d'essais raisonnables (109 cycles sont atteints en 14 h). Cependant ces essais posent le problème de l'effet de la fréquence et plus généralement de la validité des résultats obtenus pour estimer la durée de vie de structures chargées à des fréquences très inférieures à 20 kHz. L'objectif de ce travail est d'évaluer l'effet de la fréquence du chargement sur les mécanismes précurseurs de l'initiation de fissures et plus précisément sur les mécanismes de microplasticité à l'échelle du grain. Ce travail de thèse s’intéresse au cas du cuivre pur polycristallin sollicité en traction-compression alternée et symétrique. Pour mettre en évidence un effet de la fréquence, les courbes de Wöhler ont été construites à différentes fréquences. L’étude s’est ensuite focalisée sur les mécanismes de microplasticité précurseurs de l’initiation de fissures et plusieurs critères ont été examinés : les morphologies des bandes de glissement et leurs positions en lien avec la microstructure, les seuils d’apparition des bandes de glissement, le développement de ces bandes avec le nombre de cycles, la répartition de la microplasticité dans les grains, les valeurs d’énergie dissipée au cours d’un cycle. Le glissement dévié et la production-diffusion de lacunes sont deux mécanismes qui interviennent dans la formation des bandes de glissement et des extrusions en surface. Leurs rôles respectifs sur les effets de fréquence observés sont discutés
Nowadays there is a growing demand for the development of fast and robust fatigue life prediction methods in the very high cycle fatigue domain. In this way, ultrasonic fatigue technique which appeared in 1950 is very interesting for manufacturers. Because the typical frequency of these tests is 20 kHz, this technique is efficient to perform tests up to a very high number of cycles in a reasonable time (109 cycles are reached in 14 h). However, the frequency domain of these fatigue tests facilities raises the issue of the effect of frequency and more generally the validity of the obtained results for estimating fatigue life of structures loaded at frequencies three or four order of magnitude below ultrasonic frequencies. The objective of this work is to evaluate the effect of the loading frequency on the precursors of fatigue damage, namely the microplasticity at the grain scale. This thesis work deals with the case of polycrystalline pure copper loaded in fully reversed tensioncompression. To show the effect of frequency, the Wöhler or S-N curves were constructed at different frequencies. Then, the study focused on the mechanisms of microplasticity preceding crack initiation and several criteria were investigated: the morphologies of the slip bands and their locations in the microstructure, the thresholds of appearance of the slip bands, the evolution of the slip bands amount with the number of cycles, the distribution of the microplasticity in the grains, the dissipated energy during a fatigue cycle. Cross slip and vacancies production and diffusion are two mechanisms which play a part in the formation of slip bands and extrusions in surface. Their respective roles on the effects of frequency observed are discussed

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Berthel, Bruno. "Mesures thermographiques de champs de dissipation accompagnant la fatigue à grand nombre de cycles des aciers." Phd thesis, Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00410074.

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Abstract:

Cette étude s'inscrit dans une démarche originale consistant à développer un protocole expérimental adapté aux essais de fatigue à grand nombre de cycles. Ce protocole permet de dresser des bilans locaux d'énergie et s'appuie sur des techniques d'imagerie quantitative. Les objectifs étaient de compléter et de valider une méthode de traitement d'images infrarouges permettant d'étudier séparément les mécanismes dissipatifs et les effets thermoélastiques accompagnant la fatigue à grand nombre de cycles des aciers. Un point intéressant de cette méthode est de pouvoir fonctionner alors que les amplitudes des sources thermoélastiques sont très nettement supérieures aux intensités de dissipation. Le deuxième objectif était d'arriver à combiner cette technique infrarouge avec celles mises en place pour accéder aux champs cinématiques par une méthode de corrélation d'images. Ce rapprochement a permis d'estimer l'énergie de déformation localement mise en jeu et de la comparer, sur un cycle de chargement, à l'énergie dissipée.

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Wang, Chong. "Microplasticité et dissipation en fatigue à très grand nombre de cycles du fer et de l’acier." Paris 10, 2013. http://www.theses.fr/2013PA100077.

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Abstract:

Fracture de fatigue des métaux et alliages est le dommage le plus dangereux qui peut conduire à l'accident de composants de l’industrie sans évidemment présage. Contrairement à ce que l’on a cru depuis les premiers travaux de Wôhler [Wôhler, 1867], la courbe SN du fer et des aciers n’est pas morphologie hyperbolique et elle ne présente pas d’horigentale horizontal après 106 ou 101 cycles. Cela signifie que la notion de limite de fatigue est remise en question depuis les années 80, date à laquelle des rechercher en coopération entre plusieurs scientifique chinois et le laboratoire de C. Bathias [Bathias and Ni, 1993; Kong et al, 1991]. Ont abouti à monter que tous les métaux peuvent fissurer en fatigue jusqu’à 10111 cycles. Une certaine façon de définir ‘l’infini ’ à l’échelle humaine. Dans le domaine de fatigue oligocyclique, beaucoup des travaux y compris l'analyse et la modélisation proposée par Pr. H. Maghrébins [Mughrabi et al 1976; Mughrabi et al, 1979; Mughrabi, 1980] a été effectuée, et une juste compréhension est devenue au fil des ans. Formation de bandes de glissement persistantes (BGP) à la surface se trouve généralement et admis ce que l'original critique de dommage par fatigue dans le domaine de fatigue oligocyclique sur ductiles monophasés matériaux et également sur des alliages de précipitation de nombreux durcies. Le BGP représentent localisée plasticité cyclique. Une fois formés des BGPS, accompagnée par le développement d'extrusions et les intrusions, les intrusions sur la surface du matériau introduire la concentration de contrainte au approfondissement en forme d‘encoche alors conduire à des fissures. On a cru la celle déformation plastique en contrainte plane au surface, toujours responsable de l’amorçage des premières microfissures de PSB en fatigue oligocyclique mais ne dépendent pas autre de la surface. Contrairement ce n’est a partir des travaux de Y. Murakami [Murakami et al, 1999] et C. Bathias [BATHIAS, 1999] dans les années 90 que le problème de la fatigue gigacycle a été reconnu que la fracture de fatigue des métaux lieu pas toujours à la surface
This thesis is part of research conducted by the team of Professor Claude Bathias, since 1976, on the subject of Very High Cycle Fatigue (VHCF), also called "fatigue gigacyciique. " lt is obvious that many of machinery such as bearings,1 springs, turbine disks, rails, cylinder heads, etc. , must reach the billion cycles without failure. And also there are obvious scientific interests to understand and predict the fatigue crack initiation at stress just half the yield, while the damage in continuum mechanics is excluded. Contrary to what has been believed, since the early work of Wôhler [Wôhler, 1867], the SN curve of iron and steel is not a hyperbolic function and has no horizontal asymptote after 106 or 101 cycles. But Wôhler never conclude more than that. It is Basquin in 1910, who introduced the concept of "infinite life time” associated with the definition of "fatigue limit". However the concept of fatigue limit has been questioned since the 80s, when the research in cooperation with several Chinese scientists [Ni and Bathias 1992, Kong et al 1991, Wu et al 1993, Wang et al 1999] and the laboratory of C. Bathias led to show that all metals and alloys can fatigue crack up to 1010 cycles, a way to define ’infinity' in reasonable scale. In regimes of low cycle fatigue and high cycle fatigue lot of work, including the analysis and modeling [Mughrabi and al 1 976; Mughrabi et al, 1979; Mughrabi, 1980], were performed and a proper understanding has emerged over the years. Formation of persistent slip bands (PSB) on the surface has been recognized in the single—phase material and alloys as nucleation of fatigue cracks. The PSB is resulted by localized cyclic plasticity. Formation of PSBs is accompanied with the development of the extrusions and intrusions. Base on the geometry explaining, the intrusion on the surface introducing stress concentrations is the reason of cracks creation. However, it is still remains how the mechanisms of the low cycle fatigue characteristics persisting in VHCF regime. Part of this thesis is dedicated to highlighting the formation of PSB in the Armco iron when crack occurs beyond 107 cycles. At same time, experience has shown that, in industrial multiphase alloys, the fatigue crack initiation at VHCF regime is often internal. Lt was first present by the work of Y. Murakami [Murakami et al, 1999] and C. Bathias [Bathias, 1999] in the 90s. They recognized that fatigue cracking of metals does not initiate from surface

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Poncelet, Martin. "Multiaxialité, hétérogénéités intrinsèques et structurales des essais d'auto-échauffement et de fatigue à grand nombre de cycles." Phd thesis, École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00200459.

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Abstract:

Le lien empirique entre rupture par fatigue à grand nombre de cycles et essai d'auto-échauffement permet de prévoir rapidement les caractéristiques de fatigue de nombreux matériaux depuis quelques années. Au delà de cette relation empirique, un modèle rationnel basé sur l'apparition probabiliste de foyers de microplasticité a déjà été proposé, donnant une estimation de la dispersion des essais de fatigue. Fort de ceci, le cadre d'application de ce modèle est ici étendu aux chargements multiaxiaux dans un premier temps. Pour cela des essais d'auto-échauffement de traction-torsion sur éprouvettes tubulaires sont réalisés pour valider thermiquement deux versions du modèle. Un facteur d'hétérogénéité de dissipation est introduit pour s'affranchir de la géométrie des éprouvettes. L'influence de la contrainte moyenne de cisaillement sur les courbes d'auto-échauffement est étudiée. Des essais de fatigue multiaxiale différencient par la suite le domaine de validité des deux versions du modèle. Dans un second temps les effets de surface sur tôle sont étudiés par essai d'auto-échauffement. La mesure de la température moyenne des tôles ne permettant pas de retrouver les caractéristiques de fatigue, une mesure du champ de température dans l'épaisseur de la tôle est proposée. L'ensemble du protocole de mesure par micro-thermographie IR in situ est choisi afin de réduire voire supprimer différents artefacts. Il permet de mesurer des amplitudes d'hétérogénéité de température stabilisée de l'ordre de 10-3 K à une échelle submillimétrique. Appliqué aux tôles étudiées, il permet de mettre à jour l'existence d'effets de surface.

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Nguyen, Hoang Quan. "Modélisation numérique de la propagation d’une fissure lors d’une rupture par fatigue à très grand nombre de cycles." Paris 10, 2013. http://www.theses.fr/2013PA100104.

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Abstract:

Ce manuscrit est une contribution à l’étude de la propagation de fissure en fatigue à très grand nombre de cycles. Nous développons un outil numérique permettant de modéliser cette propagation de fissure en mode I et d’étudier la formation de l’œil de poisson, caractéristique de ce type de rupture. Premièrement, une procédure numérique itérative basée sur la méthode des éléments finis en 3D est développée pour étudier l’évolution de la forme de fissure au cours de la propagation et calculer le nombre de cycles de propagation lorsqu’un calcul analytique n’est pas possible. La méthode de fermeture virtuelle de fissure est utilisée pour calculer le facteur d’intensité de contraintes en chaque étape de propagation de la fissure. Deuxièmement, un modèle de couplage thermomécanique basé sur la méthode des éléments finis en 3D est proposé pour estimer l’évolution du champ température au cours de la propagation de fissure. Ce modèle consiste à tout d’abord calculer l’énergie de déformation plastique par cycle venant de la zone plastique cyclique au front de la fissure et utiliser ensuite une partie de cette énergie comme une source de chaleur mobile afin de calculer l’évolution de température. L’énergie de déformation plastique par cycle est déterminée par deux méthodes. L’une est basée sur un calcul élastoplastique en 3D avec un comportement élastique plastique parfait. L’autre s’appuie sur une relation empirique entre l’énergie de déformation plastique par cycle par unité de longueur de fissure et la variation du facteur d’intensité de contraintes. Les résultats numériques sont en bon accord avec des mesures expérimentales
This manuscript is a contribution to the study of the crack propagation in very high cycle fatigue domain. We develop a numerical tool which allows to model this crack propagation in mode I and to study the formation of fish eye crack, a characteristic of this failure. Firstly, an iterative numerical procedure based on three dimensional finite element method is developed to study the evolution of crack form during the crack propagation and to calculate the number of cycles to failure when it is not possible to find an analytical solution. The virtual crack closure technique is used to calculate the stress intensity factor in each step of crack growth process. Secondly, a coupled thermomecanical finite element model in 3D is proposed to estimate the evolution of the temperature field during the crack propagation. The problem is solved into 2 steps. In the first step, we calculate the plastic energy per cycle from the cyclic plastic zone at the crack front. In the second step, we use a fraction of this energy as a mobile heat source to estimate the temperature field evolution. The plastic energy per cycle is calculated by two methods. The first one is based on an elastic-plastic finite element analysis with a perfectly elastic-plastic constitutive law. The second one is based on an empirical relation between the energy plastic per cycle per unit of crack length and the range of stress intensity factor. Numerical results obtained agree fairly well with experimental results

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Bracquart, Benoît. "Etude des interactions défaut géométrique / microstructure dans les mécanismes d’endommagement en fatigue à grand nombre de cycles d’alliages métalliques." Thesis, Angers, 2018. http://www.theses.fr/2018ANGE0009.

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Abstract:

L'objectif de ces travaux est d'étudier l'influence de la microstructure et de défauts géométriques de surface sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) d'un aluminium polycristallin de pureté commerciale. Ils s'appuient sur une campagne expérimentale de fatigue et des simulations numériques par la Méthode des Éléments Finis (MEF), afin de mieux appréhender les paramètres microstructuraux gouvernant l'amorçage de fissure aux défauts. Pour cela, les deux dimensions caractéristiques (grains et défaut) sont faites varier. Des traitements thermomécaniques sont mis ainsi en place pour contrôler la taille de grains, avant une caractérisation du comportement monotone et cyclique. Par la suite, des essais de FGNC uni-axiaux en traction-compression alternée sur éprouvettes avec défauts sont effectués, soit avec suivi de fissure de surface in-situ, soit avec étude de l'amorçage de fissure en fond de défaut après cyclage. Les résultats sont par la suite analysés afin de déterminer l'influence des différentes dimensions caractéristiques, ainsi que de l'orientation cristalline, via une campagne EBSD. Des simulations cycliques utilisant la MEF sont ensuite réalisées pour déterminer finement les champs mécaniques locaux. Ainsi, des maillages d'agrégats polycristallins 3D représentatifs des configurations expérimentales sont mis en place. Une loi de comportement de plasticité cristalline à gradient est utilisée afin de traduire le glissement plastique à l'échelle des systèmes de glissement et des effets de taille de grains. La répartition d'un indicateur de fatigue dans les différentes configurations est étudiée, afin de compléter les résultats expérimentaux
The aim of this study is to analyze the influence of microstructure and geometrical surface defects on the high cycle fatigue (HCF) behavior of acommercial purity polycrystalline aluminium. This work relies on an experimental test programme and numerical Finite Element (FE) simulations, in order to better understand microstructural parameters governing crack initiation at defects. To this end, both caracteristic dimensions (grains and defect) are varied. Thermomechanical treatments are set up to control the grain size, and obtained microstructures are caracterized monotonically and cyclically. Then, uniaxial fully reversed tension-compression HCF tests are carried out on specimens with defects, either with an in-situ surface crack monitoring, or a study of the crack initiation at the defect root after cycling. Results are then analyzed in order to determine the influence of different characteristic lengths, as well as crystalline orientation, via EBSD maps. Numerical FE simulations are then carried out to detetermine precisely local mechanical fields. To this end, polycrystalline aggregates 3D meshes representative of experimental configurations are set up. A crystal plasticity constitutive model with gradient is used in order to reproduce the plastic slip at the glide system scale, and the grain size effect. The distribution of afatigue indicator parameter in the different configurations is studied, in order to complement experimental results

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Simon, Julien. "Influence de micro-entailles sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles d'un alliage de TA6V : Comparaison avec le fretting-fatigue." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2017. http://www.theses.fr/2017ESMA0034/document.

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Abstract:

Ce travail a porté sur l’influence d’entailles micrométriques sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles d’un alliage de titane et la comparaison avec un cas de fretting-fatigue. Des études préliminaire sont montré que des entailles micrométriques pouvaient reproduire les champs de contraintes d’essais de fretting-fatigue. Le projet COGNAC dirigé par Safran Aircraft Engines a été créé dans l’objectif d’évaluer la faisabilité d’un modèle unique capable de simuler la tenue en fatigue de pièces subissant des sollicitations de fretting ou de fatigue en présence d’entailles. Le cadre expérimental de cette thèse est limité à la partie du projet traitant des entailles. Afin d’avoir le même état de préparation de surface, les micro-entailles et les surfaces des éprouvettes de fretting fatigue sont usinées par meulage. Afin de reproduire les gradients de contraintes observés localement pour des chargements de fretting-fatigue, des entailles en V avec des rayons compris entre 50 μm à 500 μm ont été choisies.L’étude du taux de triaxialité et du cisaillement a permis de définir une géométrie d’éprouvette de comparaison avec le fretting fatigue qui comporte 2 entailles en V inclinées en face à face. Trois campagnes expérimentales de fatigue à grand nombre de cycles ont été menées. La première sur des éprouvettes lisses meulées afin d’obtenir une limite de fatigue de référence sans concentration de contraintes. La seconde sur des éprouvettes avec une entaille non inclinée ayant une profondeur de500 μm afin d’étudier les effets du rayon de fond d’entaille sur la limite de fatigue. La dernière est une campagne sur les éprouvettes avec 2 entailles inclinées qui permettent de reproduire les champs de contrainte des essais de fretting. Les premiers stades de fissuration ont été étudiés. Les facettes de pseudo clivage, la présence d’un premier stade de fissuration et les amorçages multiples en fond d’entaille ressemblent à ce qui peut être vu sur des essais de fretting. Par contre la présence de fissures non propageantes en fond d’entaille sous la limite de fatigue n’a pas pu être démontrée, alors que ces fissures non propageantes sont observables sur les essais de fretting-fatigue. Les sites d’amorçages et les mécanismes des premiers endommagements semblent être pilotés par les zones affectées par le meulage. Enfin trois critères de fatigue ont été utilisés afin de tenter de reproduire nos résultats expérimentaux. L’approche basée sur la théorie du gradient –avec un gradient local et un impact affine du gradient- et celle basée sur la théorie de la distance critique ont fourni des résultats corrects sur les éprouvettes entaillées mais ne peuvent faire le lien avec les éprouvettes sans concentrations de contraintes. Enfin, l’approche probabiliste utilisée a produit des résultats très proches des résultats expérimentaux à la fois sur des éprouvettes lisses et des micro-entailles. La comparaison des résultats expérimentaux montrent que le champ de contrainte de Crossland proche de la surface d’amorçage du fretting-fatigue est proportionnel à celui proche d’un fond d’entaille dans le cas d’une éprouvette avec 2 entailles en face à face. Le niveau de la sollicitation des 2 essais diffère localement d’environ20%. Dans la suite des travaux, il serait particulièrement intéressant de relancer une campagne de comparaison entre fretting et entailles en utilisant un critère probabiliste pour dimensionner les essais afin de proposer une méthodologie commune de prise en compte des concentrations de contraintes dans les cas de fretting-fatigue et de concentrateurs géométriques sollicités en fatigue
This study is about the influence of micro-notches on the high cycle fatigue behavior of a Ti64 alloy and the comparison with similar fretting fatigue tests. Preliminary studies showed that fretting-fatigue stress fields can be reproduced by micro-notched. The COGNAC project leaded by Safran Aircraft Engines was built to verify if a unique model can reproduce both fretting-fatigue and notched samples fatigue tests. The scope of this experimental study is limited to the notched samples. In this PHD thesis, the notches are grinded and the results are compared with fretting-fatigue tests on grinded surfaces. V-notched with notch root radius from 50 to 500 μm were chosen to reproduce the stress gradient of fretting-fatigue tests. A geometry with two inclined notches facing each other allows to reproduce shear stress and stress triaxiality from fretting-fatigue tests. Three different experimental studies were performed. First on un-notched specimens with a grinded surface state to produce a reference fatigue limit for grinded surface state without stress concentration. The second study the notch root radius effect on the fatigue limit with samples with one non-inclined notch of 500 μm of depth. The last one is a series of fatigue tests on samples with two inclined notches that reproduce the stress distribution of fretting-fatigue tests. Pseudo-cleavage facets, multi cracks initiations in the notch root and the presence of two propagation stages is similar to the fretting-fatigue tests mechanisms. However, non propagating cracks were not observe at the notch root while many of them were present during the fretting-fatigue test. The initiation sites and the early stages of propagation seem to be controlled by grinded affected areas. Finally, three fatigue criteria were used to try to reproduce the experimental results. The criteria based on the critical distance theory and gradient theory –with a local gradient and an affine effect of the gradient term- can reproduce the fatigue limits of notched samples but fail to predict both notched and un-notched specimen fatigue limits with a unique data set. The third one is a probabilistic criterion which success to predict the experimental fatigue limits not only of notched samples but also smooth ones. The comparisons between the experimental results of the fatigue on the specimens with two inclined notches and the fretting-fatigue shows a difference of 20%. The distribution of the Crossland stress is quite similar. In the future, it would be useful to make a new comparison between fretting-fatigue and fatigue on notches using the probabilistic criterion to design the tests. This new comparison could lead to the proposal of a unique methodology to take into account the fretting-fatigue and the fatigue on stress concentrators

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Zghal, Jihed. "Etude du comportement en fatigue à grand nombre de cycles d'un acier à haute limite d'élasticité HC360LA : endommagement, plasticité et phénomènes dissipatifs associés." Thesis, Paris, ENSAM, 2016. http://www.theses.fr/2016ENAM0004/document.

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Abstract:

Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet APSTRAM (Allègement et Performance des STRuctures Acier Marine) de l’IRT Jules Verne, s’intéresse à l’endommagement en fatigue à grand nombre de cycles d’un acier ferritique à haute limite d’élasticité HC360LA. La première partie de ce travail est dédiée à la réalisation d’essais de fatigue à contrainte imposée avec différents rapports de charge et différentes conditions initiales (fixées à partir d’un éventuel pré-écrouissage). Ces essais montrent que le pré-écrouissage, obtenu par traction uniaxiale, permet d’augmenter significativement la résistance à la fatigue. Aussi, un effort expérimental est fait pour estimer à partir des mesures de force, d’élongation et de température comment l’énergie de déformation est soit dissipée en chaleur, soit stockée dans le matériau par écrouissage. Les résultats ainsi obtenus montrent qu’il existe à l’échelle macroscopique une corrélation entre l’énergie dissipée et le nombre de cycles à rupture indépendamment des conditions initiales et des conditions de chargement. Cela souligne donc l’importance de la plasticité dans le processus d’endommagement en fatigue de l’acier HC360LA. Un modèle polycristallin de comportement et d’endommagement en fatigue est ensuite proposé. Il repose sur la formulation d’une loi de comportement à l’échelle cristalline qui utilise les ingrédients de la mécanique de l’endommagement pour décrire la dégradation progressive des propriétés mécaniques. La loi de comportement est établie de sorte à considérer le couplage de l’endommagement avec la plasticité, le caractère anisotrope de l’endommagement et l’influence de l’anisotropie des propriétés élastiques. Elle est ensuite implémentée dans un modèle d’homogénéisation afin de prendre en compte le caractère polycristallin de l’acier HC360LA. Le modèle proposé est finalement utilisé pour étudier le comportement en fatigue à l’échelle microscopique. Il permet d’abord de montrer que l’endommagement de fatigue est un processus extrêmement localisé qui ne concerne que quelques cristaux d’orientation particulière. De ce fait, si une diminution de la rigidité est localement observée, les propriétés élastiques macroscopiques sont peu influencées par l’endommagement. Aussi, le modèle permet de souligner que la contribution de l’endommagement à la dissipation de chaleur est négligeable devant celle de la plasticité. La corrélation entre le nombre de cycles à rupture et l’énergie dissipée n’existe donc que parce que l’endommagement de fatigue est le résultat de l’accumulation de déformation plastique
The present work, which is integrated in the IRT Jules Verne APSTRAM project, focuses on the high cycle fatigue behavior of a ferritic high-strength low-alloy steel (HC360LA). First, different stress-controlled cyclic tests are carried out to study the influence of loading conditions and pre-straining on the fatigue behavior. According to the experimental results, a uniaxial tension pre-straining allows for a significant increase of the fatigue strength. Using the experimental dataset (force, elongation and temperature), an important effort is made to estimate the fraction of strain energy that is either dissipated into heat or stored within the material during cyclic tests. The strong correlation between the number of cycles to failure and heat dissipated energy emphasizes the importance of plasticity in the process driving to fatigue failure. Second, a polycrystalline model is proposed to describe the fatigue behavior of metallic materials in the high cycle fatigue regime. To consider the anisotropy of plastic properties, the constitutive model is developed at the grain scale within a crystal plasticity framework. It uses continuum damage mechanics to describe the progressive degradation of mechanical properties within an anisotropic context. The constitutive model is then integrated within a self-consistent formulation to consider the polycrystalline nature of metallic materials. Finally, the proposed model allows for investigating the fatigue behavior of the HC360LA steel at a microscopic scale. Damage is found to be highly localized in some specific grains. As a result, while fatigue damage results in a progressive decrease of elastic stiffness at the crystal scale, the elastic properties are not significantly affected at the macroscopic scale. Also, the contribution of damage to heat dissipation is negligible. The correlation between energy dissipation and fatigue failure is therefore a consequence of the strong coupling between plasticity and damage

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Guerchais, Raphaël. "Influence d'accidents géométriques et du mode de chargement sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles d'un acier inoxydable austénitique 316L." Thesis, Paris, ENSAM, 2014. http://www.theses.fr/2014ENAM0020/document.

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Abstract:

L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier l'influence de la microstructure et de défauts géométriques sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) d'un acier inoxydable austénitique 316L. La méthodologie proposée s'appuie sur des simulations par éléments finis (EF) d'agrégats polycristallins qui permettent de décrire les champs mécaniques à l'échelle des mécanismes impliqués dans les processus d'amorçage de fissures de fatigue.Une étude numérique préliminaire, s'appuyant sur des données expérimentales issues de la littérature, est conduite sur un cuivre électrolytique à l'aide de simulations numériques d'agrégats polycristallins en 2D. L'effet du trajet de chargement et de défauts artificiels de taille proche ou légèrement supérieure à celle de la microstructure sur les réponses mécaniques mésoscopiques sont analysés. Les capacités de prédiction de quelques critères de fatigue, s'appuyant sur des quantités mécaniques mésoscopiques, sont évaluées. Il est mis en évidence que les limites de fatigue macroscopiques prédites par un critère de fatigue probabiliste sont en accord avec les tendances expérimentales observées en fatigue multiaxiale et en présence de défauts.Une campagne expérimentale a été menée sur un acier austénitique 316L. Des essais de fatigue oligocyclique sont conduits afin de caractériser le comportement élasto-plastique du matériau. Des essais de FGNC, utilisant des éprouvettes avec et sans défaut de surface (défaut artificiel hémisphérique) ont été effectués pour estimer les limites de fatigue dans différentes conditions de sollicitation (traction, torsion, traction et torsion combinée, traction biaxiale) et pour plusieurs rayons de défaut. Dans le but de compléter la caractérisation du matériau, la microstructure est étudiée à l'aide d'analyses EBSD et la texture cristallographique est mesurée par diffraction des rayons X. Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour reproduire, avec des simulations EF, les essais de FGNC sur des microstructures 2D et 3D représentatives de l'acier austénitique. L'hétérogénéité de quantités mécaniques mésoscopiques pertinentes en fatigue est discutée avec une attention particulière sur l'effet des défauts. L'approche probabiliste est appliquée aux résultats des modèles EF pour quantifier l'effet de la taille du défaut, pour différents trajets de chargement. La pertinence, vis-à-vis des observations expérimentales, des distributions de la limite de fatigue prédites est évaluée
The aim of this study is to analyze the influence of both the microstructure and defects on the high cycle fatigue (HCF) behaviour of a 316L austenitic stainless steel thanks to finite element (FE) simulations of polycrystalline aggregates.%The scatter encountered in the HCF behavior of metallic materials is often explained by the anisotropic elasto-plastic behavior of individual grains leading to a highly heterogeneous distribution of plastic slip.Since fatigue crack initiation is a local phenomenon, intimately related to the plastic activity at the crystal scale, it seems relevant to rely on this kind of modeling to evaluate the mechanical quantities.A preliminary numerical study, based on experimental data drawn from the litterature, was conducted on an electrolytic copper using simulations of 2D polycrystalline aggregates. The effect of the loading path and small artificial defects on the mesoscopic mechanical responses have been analyzed separately. Moreover, the predictive capabilities of some fatigue criteria, relying on the mesoscopic mechanical responses, has been evaluated. It was shown that the macroscopic fatigue limits predicted by a probabilistic fatigue criterion are in accordance with the experimental trends observed in multiaxial fatigue or in the presence of small defects.An experimental campaign is undertaken on an austenitic steel 316L. Low cycle fatigue tests are conducted in order to characterize the elasto-plastic behavior of the material. Load-controled HCF tests, using both smooth specimens and specimens containing an artificial hemispherical surface defect, are carried out to estimate the fatigue limits under various loading conditions (tension, torsion, combined tension and torsion, biaxial tension) and several defect radii. To complete the characterization of the material, the microstructure is studied thanks to EBSD analyzes and the cristallographic texture is measured by X-ray diffraction. These experimental data are used to reproduce, with FE simulations, the HCF tests on 2D and 3D microstructures representative of the austenitic steel. The heterogeneity of the mesoscopic mechanical quantities relevant in fatigue are discussed in relation to the modeling. The results from the FE models are then used along with the probabilistic mesomechanics approach to quantify the defect size effect for several loading paths. The relevance, with respect to the experimental observations, of the predicted fatigue strength distributions is assessed

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Nguyen, Thi Thu Huyen. "Effet des hétérogénéités microstructurales sur le comportement en fatigue multiaxiale à grand nombre de cycles : application à l'usinage assisté laser." Phd thesis, Paris, ENSAM, 2008. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00004274.

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Abstract:

Cette étude vise à modéliser les mécanismes d'endommagement sous chargements multiaxiaux en Fatigue à Grand Nombre de Cycles (FGNC). Le rôle des hétérogénéités microstructurales introduites en particulier par le procédé d'Usinage Assisté Laser fait l'objet d'une attention particulière. On propose de tenir compte de l'aspect dispersé des données en fatigue à l'aide d'une approche de type plan critique et d'un modèle à deux échelles. Plus précisément, une approche probabiliste de type Weibull est d'abord introduite pour prendre en compte le rôle des hétérogénéités microstructurales sur le comportement en fatigue à l'échelle macroscopique. Une deuxième partie de l'étude concerne l'utilisation d'un modèle de couplage plasticité - endommagement à l'échelle mésoscopique afin de refléter les effets de cumul d'endommagement observés en FGNC. Les prédictions des deux approches sont confrontées à des données expérimentales relatives à des chargements complexes (traction biaxiale, traction-torsion hors phase, asynchrone ou encore chargement d'amplitude variable). On montre un très bon comportement d'ensemble ainsi que la possibilité d'associer les deux modélisations pour obtenir une loi d'endommagement probabiliste dont une application directe est l'obtention de courbes P-S-N (Probabilité-Contrainte-Nombre de cycles) pour n'importe quel type de chargement. La dernière partie du travail est consacrée à l'étude de l'interaction entre un procédé d'usinage par assistance Laser (UAL) et la tenue en fatigue des composants métalliques obtenus (acier et alliage de titane). Le rôle des caractéristiques d'intégrité de surface (la microstructure, l'écrouissage, les contraintes résiduelles, l'état de surface

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Petitjean, Sébastien. "Influence de l'état de surface sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles de l'acier inoxydable austénitique 304L." Poitiers, 2003. http://www.theses.fr/2003POIT2269.

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Abstract:

Cette étude s'est attachée à décrire l'influence de l'état de surface sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles de l'acier inoxydable austénitique 304L. L'effet de la rugosité, de l'écrouissage et des contraintes résiduelles de surface a particulièrement été étudié. La première étape de ce travail a consisté à produire divers états de surface. Des modes de préparation par tournage, meulage, polissage et sablage ont, pour ce faire, été choisis. La rugosité, l'état microstructural (dureté, transformations de phase) et les contraintes résiduelles de surface des échantillons alors obtenus ont été déterminés. Ces derniers ont ensuite été cyclés en fatigue sous divers rapports de charge, contraintes moyennes et températures imposés. Les résultats mettent clairement en évidence l'influence de l'état de surface sur la résistance à la fatigue du 304L. Cette influence est néanmoins plus prononcée, à la température ambiante et pour une contrainte moyenne d'essai positive. Pour l'ensemble des conditions d'essais explorées, une dégradation de l'état de surface par meulage conduit à une réduction de la limite d'endurance par rapport aux échantillons polis. Les résultats montrent également que, dans le cas d'échantillons présentant des défauts de surface de forte acuité, l'application d'une contrainte moyenne positive conduit à un effet plus marqué. L'étude de l'influence relative des divers paramètres de surface, pour un rapport de charge positif et à la température ambiante, montre que le profil de rugosité et l'écrouissage de la surface sont les deux facteurs les plus influents. Les contraintes résiduelles jouent, pour leur part, un rôle secondaire, en raison de leur relaxation rapide lors de l'application des premiers cycles d'effort. Au-delà de la détermination de l'influence de chacun des paramètres de surface sur le comportement en fatigue du 304L, l'estimation des phases d'amorçage et de propagation pour chaque condition d'essai a permis de mettre en évidence des processus différents en fonction du rapport de charge. La propagation des fissures apparaît en effet être contrôlée par le paramètre DK au rapport de charge positif et par Dep/2 en traction-compression
This work has dealt with the influence of surface finish on the high cycle fatigue behavior of a 304L. The role played by roughness, surface hardening and residual stresses has been particularly described. First part of this study has consisted of the production of several surface finishes. These latter were obtained by turning, grinding, mechanical polishing and sandblasting. The obtained surfaces were then characterised in terms of roughness, hardening, microstructure and residual stresses. Fatigue tests were finally conducted under various stress ratios or mean stresses at two temperatures (25ʿC and 300ʿC). Results clearly evidenced an effect of the surface integrity on the fatigue resistance of the 304L. This influence is nevertheless more pronounced at ambient temperature and for a positive mean stress. For all explored testing conditions, the lowest endurance limit was obtained for ground specimens whereas polished samples exhibited the best fatigue strength. Results also cleared out a detrimental influence of a positive mean stress in the case of specimens having surface defaults of a great acuity. The study of the relative effect of each of the surface parameter, under a positive stress ratio and at the ambient temperature, showed that roughness profile and surface hardening are the two more influent factors. The role of the residual stresses remains negligible due to their rapid relaxation during the application of the first cycles of fatigue. The estimation of the initiation and propagation periods showed that mechanisms differed as a function of the applied stress ratio. Crack propagation is governed by the parameter DK at a positive stress ratio and by Dep/2 in the case of tension-compression tests

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Dehmani, Helmi. "Étude de l’influence du procédé de poinçonnage sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles de tôles minces ferromagnétiques." Thesis, Paris, ENSAM, 2016. http://www.theses.fr/2016ENAM0014/document.

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Abstract:

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’étude de l’influence du procédé de poinçonnage sur la résistance en fatigue à grand nombre de cycles de tôles minces ferromagnétiques. Étant donné leurs propriétés magnétiques améliorées, ces tôles en alliage fer-silicium sont de plus en plus utilisées pour la fabrication des moteurs électriques qui tournent à des vitesses élevées. En effet, les pertes magnétiques dans ces tôles sont réduites par l’augmentation de la taille de grain, la diminution de l’épaisseur en dessous du demi‒millimètre et l’ajustement du pourcentage de silicium. L’objectif de cette étude est d’élaborer une démarche de dimensionnement en fatigue HCF des pièces en tôles minces poinçonnées. La première étape de cette démarche est la caractérisation expérimentale du matériau étudié. Des essais de traction monotone quasi-statique et d’écrouissage cyclique en utilisant différentes conditions ont permis de déterminer les grandeurs caractéristiques de cet alliage et d’identifier un modèle de comportement mécanique cyclique utilisable pour les simulations par la méthode des éléments finis (EF). L’étude de la résistance en fatigue de cette tôle est réalisée en utilisant des géométries d’éprouvettes lisses et entaillées. Différents effets tel que le rapport de charge, la température (180°C) et le procédé sont ainsi étudiés. Étant donné son influence sur la tenue en fatigue, l’effet du procédé de poinçonnage est finement investigué. Les bords des éprouvettes de fatigue sont analysés en utilisant des techniques variées (observations microscopiques, profilométrie optique, micro‒dureté, diffraction des rayons X…). Ceci a permis d’identifier les mécanismes d’endommagement par fatigue des pièces en M330‒35A poinçonnées. Ensuite, différentes configurations d’éprouvettes sont utilisées pour quantifier l’influence des différents effets induits par le procédé tel que l’écrouissage, les contraintes résiduelles et les défauts géométriques sur la résistance en fatigue de l’alliage étudié. Les résultats des investigations sur les bords ont montré que l’amorçage des fissures est localisé sur un défaut de poinçonnage. Une stratégie qui permet d’identifier les défauts critiques est alors adoptée. Des simulations (EF) réalisées sur les défauts de poinçonnage ont permis de déterminer les champs mécaniques autour de ces défauts. Enfin, une stratégie de dimensionnement en fatigue qui s’appuie sur l’utilisation d’un critère de fatigue non‒local en post‒traitement des résultats des simulations par EF sur les défauts de poinçonnage est proposée
New electrical steel grades, with improved magnetic properties, are used to build electric motors. For these steel grades, the iron losses are reduced by adjusting the chemical composition (mostly the Si content), decreasing the thickness below 0.5 mm and increasing the grain size. The punching is used to produce electric motor components because it generates important alterations of sheet edges, this work aims at elaborating a HCf fatigue design strategy for thin punched electrical steel sheets. First, the quasi-static and cyclic behavior of this electric steel was studied through monotonic and cyclic tests. The behavior model of this material, which will be used in FE simulation, is then identified. The study of the high cycle fatigue (HCF) resistance of this material is performed using smooth and notched specimen’s geometries. The effect of stress ratio, temperature (180°C) and the punching process are considered. Due to its influence on the fatigue resistance, the effect of the punching process is finely investigated. Different experimental techniques such as microscopic observations, 3D surface topography, micro‒hardness and X‒ray diffraction are combined to characterize the specimen’s edges. To dissociate the respective influences of strain hardening, residual stresses and geometrical defects induced by the punching process, and to quantify the contribution of each parameter to the HCF resistance, different specimen’s configurations were tested. A strategy allowing the identification of the critical defects, on which fatigue crack initiation occurs, was adopted. The stress distribution around defects is determined from finite element analyses (FEA) on real defect geometries. A non‒local high cycle fatigue criterion is finally used as post‒processing of FEA to consider the effect of defects and the associated stress-strain gradients in the HCF strength assessment

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Pessard, Etienne. "Comportement anisotrope en fatigue des composants mécaniques forgés." Phd thesis, Université d'Angers, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00464089.

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Abstract:

Cette étude qui s'inscrit dans le cadre d'un projet ANR traitant du comportement en fatigue des pièces forgées a pour objectif, d'une part, de comprendre les effets des hétérogénéités microstructurales issues de la phase de mise en œuvre sur les mécanismes d'endommagement en fatigue, et d'autre part, de proposer un critère d'endurance anisotrope adapté à la spécificité des composants mécaniques forgés. Dans une première partie, l'analyse des effets des procédés de déformation plastique (forgeage et laminage) sur la tenue en fatigue des composants métalliques obtenus est abordée. A partir de différentes campagnes d'essai, le comportement anisotrope en Fatigue à Grand Nombre de Cycles (FGNC) de différents aciers est caractérisé. Une attention particulière est portée à la description et à l'analyse des mécanismes d'endommagement en FGNC. Les effets de la microstructure et du contenu inclusionnaire sur les mécanismes d'endommagement sont particulièrement analysés. Des essais d'auto-échauffement sont également menés afin de tester l'utilisation de ces méthodes de caractérisation des propriétés en fatigue dites rapides dans le cas d'acier dont le comportement en fatigue est anisotrope. Un critère de fatigue probabiliste anisotrope est ensuite proposé. Basé sur l'hypothèse du maillon le plus faible, il permet d'exprimer de façon simple la compétition possible entre différents types de mécanismes. Le critère obtenu est adapté pour les matériaux contenant ou non des défauts et les prévisions peuvent être entre autres illustrées par le tracé d'un diagramme de Kitagawa probabiliste. Grâce à ce nouveau critère, des paramètres microstructuraux issus de l'opération de mise en forme peuvent être intégrés dans le calcul de dimensionnement en fatigue. Une optimisation de la préforme du composant ou des paramètres de mise en forme peut dès lors être envisagée.

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Milesi, Marc. "Impact des caractéristiques microstructurales des pièces forgées sur leur tenue en fatigue à grand nombre de cycles : modélisation multi-échelles et validation expérimentale." Phd thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00408851.

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Abstract:

Durant le procédé de forgeage, la pièce subit des déformations complexes et importantes. Ainsi, la microstructure finale n'est pas homogène, et le comportement macroscopique du matériau change selon la direction de sollicitation. Ce phénomène, directement lié au procédé mécanique de mise en forme constitue, l'anisotropie du comportement de la pièce forgée. Le but de cette étude est de relier cette anisotropie à des calculs de fatigue à grand nombre de cycles. Pour des pièces suffisamment isotropes (des pièces coulées par exemple), les critères classiques sont de bons prédicteurs, mais leur utilisation pour des pièces forgées n'est pas recommandée. Ainsi, pour tenir compte de cet effet, l'anisotropie est représentée à une échelle d'étude plus petite que celle du procédé : l'échelle mésoscopique c'est à dire l'échelle du grain. A partir des données statistiques obtenues sur la pièce réelle, nous pouvons reconstruire un volume élémentaire digital et lui faire subir des déformations et des analyses en fatigue dans toutes les directions. Ceci afin de déterminer les coefficients locaux dont nous avons besoin pour revenir sur la simulation de la mise en forme et des propriétés induites en fatigue de la pièce forgée. Il s'agit donc d'une étude multi-échelles reliant l'échelle de la microstructure à celle de l'ingénieur. Par ce biais, l'anisotropie mécanique locale est prise en compte à travers des paramètres locaux qui dépendent de l'orientation de la microstructure mais aussi du taux de déformation. Les liens avec la pièce industrielle sont un vecteur fibrage (qui donne l'anisotropie induite par le procédé de forgeage) et un taux de déformation locale subie. Ainsi, les résultats peuvent être utilisées dans l'optique d'optimiser la préforme du composant pour optimiser sa tenue en fatigue.

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Graux, Nicolas. "Caractérisation et modélisation des propriétés à la fatigue à grand nombre de cycles des aciers cémentés à partir d'essais d'auto-échauffement sous sollicitations cycliques." Thesis, Brest, 2017. http://www.theses.fr/2017BRES0104.

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Abstract:

Le dimensionnement en fatigue à grand nombre de cycles d'un contact roulant entre des éléments ayant subi un traitement thermochimique de cémentation s'avère rapidement complexe.D'une part le traitement de cémentation apporte une hétérogénéité de propriété dans les couches supérieures de la pièce qui dépend du protocole utilisé. D'autre part le chargement de contact roulant est un chargement complexe dont le mode de défaillance en fatigue s'initie en sous-couche.Afin de limiter le temps de la caractérisation des champs de propriétés en fatigue, l'utilisation des mesures d'auto-échauffement sous sollicitation cyclique ainsi que leur interprétation par un modèle probabiliste à deux échelles est proposé. Néanmoins de par l'hétérogénéité du matériau et de par la particularité du chargement il peut s'avérer délicat d'appliquer une telle méthode d'évaluation. ll est alors proposé d'explorer ces deux difficultés de manière séparé.Pour prendre en compte l'hétérogénéité matériaux, un protocole d'analyse de courbe d'auto-échauffement basé sur une variante d'un modèle probabiliste à deux échelles et sur les mesures de taux de carbone a été proposé. Les paramètres du modèle ont été identifiés sur une classe d'acier via des mesures d'auto-échauffement réalisées sur des éprouvettes représentatives de l'hétérogénéité du au traitement de cémentation. Enfin le modèle a été validé par comparaison avec des points de fatigue expérimentaux.En ce qui concerne le chargement de contact roulant, les difficultés pour réaliser une mesure d'auto-échauffement ont mené à effectuer une première campagne de mesure sur le cas intermédiaire du contact répété. A l'aide d'un modèle analytique simple, l'évolution du champ de température a pu être reliée à un terme source de chaleur moyen dont le lien avec les mécanismes de fatigue reste à démontrer. Finalement, des prototypes de machine de contact roulant dédiés aux mesures d'auto-échauffement ont été proposés. Les mesures réalisées sur ces dernières et leur interprétation laissent à penser qu'il sera possible d'identifier des propriétés de fatigue à partir de mesure d'auto-échauffement
The rolling contact fatigue prediction between two carburizing part quickly becomes complex.On one hand, the carburizing treatment give heterogeneous properties in surface layer depending on the treatment protocol. On the other hand, the rolling contact load is a complex load with a fatigue initiation in the sub-layer. To limit the duration of the field fatigue properties characterization, self-heating measurements under cycle load are used and their interpretation by a probabilistic two scales model is proposed. Nevertheless applying this fatigue evaluation method on heterogeneous material and for rolling contact load can be difficult. ln first approach those difficulties are split.To take into account the material heterogeneity, an analysis based on a variation of one probabilistic two scales model and on carbon rate measurement is proposed. Model parameters are identified on one steel class with self-heating measurement made on specimens representative of carburizing material heterogeneity. Finally the model is validated by comparison with experimental fatigue point.Making self-heating measurement for rolling contact load is complex. Consequently a first self-heating measurement campaign is made on the intermediary case of repeated contact. With a simple analytic model, the temperature field evolution can be linked to a mean heat source whose link with fatigue mechanism must be proven. Finally, rolling contact machine prototypes are proposed. Self-heating measurement made on those prototypes and their interpretation suggest that it will be possible to identify fatigue properties with self-heating measurement

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De, Carvalho Pinheiro Bianca. "Étude par diffraction des rayons X des modifications microstructurales en cours de fatigue." Thesis, Lille 1, 2011. http://www.theses.fr/2011LIL10063/document.

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Abstract:

Le travail présenté ici a pour but d’évaluer les mécanismes microstructuraux liés à l’amorçage de l’endommagement par fatigue d’un acier à usage pétrolier. Les microdéformations et les contraintes résiduelles (macrocontraintes) ont été déterminées par diffraction des rayons X en temps réel pendant des essais de fatigue en flexion alternée sur des éprouvettes plates prélevées dans la paroi d’un tube neuf. Les microdeformations sont estimées à partir de mesures de la largeur de corde à mi-hauteur (LCMH) d’un pic de diffraction et les contraintes résiduelles à partir du déplacement du pic. Les essais de fatigue sont réalisés pour cinq niveaux de contraintes différents. On observe trois stades de variation pendant l’évolution des microdeformations. On montre que leur amplitude et leur durée sont proportionnelles au niveau de contrainte alternée. Des variations similaires sont observées pour les contraintes résiduelles, avec des durées identiques à celles des microdéformations. Des évolutions dans la densité et la répartition des dislocations ont été observées par microscopie électronique en transmission à l’aide de la technique du faisceau d’ions focalisés. Pour comprendre le rôle de la structure initiale, des essais de fatigue sur éprouvettes recuites ont été réalisés dans les mêmes conditions d’essai. Là encore trois stades d’évolution sont observées mais avec un premier stade inversé du fait de l’état initial du réseau de dislocations. Les résultats obtenus sont très encourageants pour la prise en compte des évolutions microstructurales dans l’établissement d’un futur indicateur de dommage de la phase d’amorçage en fatigue à grand nombre de cycles des matériaux
The present work aims to evaluate the microstructural mechanisms associated with the initiation of fatigue damage of steels used in the oil and gas industry. Microdeformations and residual stresses (macrostresses) were evaluated by X-ray diffraction in real time during alternating bending fatigue tests performed on flat test pieces taken from a pipe sample. Microdeformations were estimated from measurements of the full width at half maximum (FWHM) of the diffraction peak and residual stresses from the peak displacement. The fatigue tests were performed at five different stress levels. Three stages of changes during the evolution of microdeformation were detected. We show that their amplitude and duration are proportional to the level of alternating stress. Similar variations were observed for the residual stresses, with duration identical to those of the microdeformation. Changes in the density and distribution of dislocations were observed by transmission electron microscopy using the technique of focused ion beam. To understand the role of the initial structure, fatigue tests on annealed samples were performed under the same test conditions. Again, three stages of changes are observed but with an increase of the microdeformations instead of a decrease during the first stage due to the initial state of the dislocation network. The results are very encouraging for the consideration of the microstructural evolutions in the construction of a future counter of fatigue damage initiation in materials

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Ezanno, Anthony. "Caractérisation rapide des propriétés à la fatigue à grand nombre de cycles des matériaux de fonderie à partir d'essais d’auto-échauffement : application aux alliages d'hélices marines." Brest, 2011. http://www.theses.fr/2011BRES2028.

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Abstract:

Les hélices marines sont soumises en service à des chargements cycliques susceptibles de provoquer la rupture de pales par fatigue. Obtenues par fonderie, les hélices, généralement en alliage cupro-aluminium, contiennent des défauts hérités du procédé de fabrication, à l’origine des mécanismes qui mènent à la rupture. Les objectifs de ces travaux de thèse sont d’une part, de mettre en place une chaîne numérique d’aide au dimensionnement à la fatigue dédiée aux structures obtenues par fonderie et d’autre part, de valider cette chaîne à l’échelle de la structure. Un modèle de comportement à la fatigue à grand nombre de cycles ad hoc est proposé. Il repose sur l’hypothèse que la ruine par fatigue est pilotée par l’activation de mécanismes de microplasticité qui ont lieu autour des défauts de fonderie et qui induisent une dissipation énergétique. On adopte une approche à deux échelles probabiliste en considérant un ensemble de sites élastoplastiques, de seuil d’activation variable et répartis aléatoirement dans une matrice élastique. On propose l’utilisation des essais d’auto-échauffement sous chargements cycliques pour identifier le comportement mécanique d’un site ainsi que la variabilité de la population de sites. Les défauts sont ainsi pris en compte de manière indirecte, i. E. Sans description géométrique, à travers la signature thermique du matériau sous sollicitations cycliques. Les prévisions de ce modèle sont comparées aux résultats d’une campagne d’essais de fatigue sur des hélices à échelle 1. Ces essais sur structure ont nécessité la conception et la mise en oeuvre d’un montage spécifique
Marine propellers are subjected to cyclic loadings which can lead to fatigue failure of the blades. Large ship propellers are typically obtained by a sand casting process, and are generally made of aluminium bronze. As per all cast components, propellers content casting flaws such as micro-shrinkage pores which act as fatigue crack initiation sites. The objectives of this thesis are to firstly develop a numerical tool that aids the fatigue conception of cast components and to validate it using full-scale tests. A High Cycle Fatigue model is proposed. In this model, it is assumed that fatigue failure is due to microplasticity which occurs around casting defects and results in the dissipation of energy. A two-scale probabilistic approach is adopted. A set of elasto-plastic sites with variable activation threshold and a random distribution in the material is considered. Self-heating tests under cyclic loadings are used to identify the mechanical behavior of a site and the variability of the population of sites. Castings defects are taken into account indirectly, without considering a precise geometrical description, thanks to the thermal response of the material under cyclic loadings. The predictions from the model are compared to experimental results from full-scale fatigue tests on propellers. These tests required the design of a specific experimental set-up

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Vincent, Matthieu. "Interaction entre défaut de surface et taille de grain en fatigue à grand nombre de cycles : approche expérimentale et numérique sur un fer pur Armco." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2018. http://www.theses.fr/2018ESMA0018/document.

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Abstract:

L’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier l’influence du rapport entre taille de défaut et longueur caractéristique de la microstructure, sur la limite de fatigue pour une durée de vie fixée d’un matériaux métallique,dans le cadre de la fatigue à grand nombre de cycle (FGNC). Le fer pur Armco est choisi comme matériau d’étude, car sa microstructure simple présente une seule longueur caractéristique à l’échelle mésoscopique (échelle des grains) : la taille de grain. Le but de l’étude revient ainsi à étudier la compétition entre un effet de structure (défaut surfacique)et un effet matériau (taille de grain) dans le cadre de sollicitations mécaniques en FGNC.Afin d’obtenir une taille de défaut comparable mais aussi inférieure à la taille de grain du matériau, un protocole thermomécanique a été élaboré pour augmenter la taille de grain. Des essais de FGNC, utilisant des éprouvettes issues des deux tailles de microstructures (matériau initial et celui écroui traité) dans lesquelles sont introduits des défauts hémisphériques de tailles différentes, ont été effectués pour estimer les limites de fatigue pour différents rapports taille de défaut / taille de grain. Lorsque les diagrammes de Kitagawa sont présentés en valeurs relatives(limite de fatigue / celle du matériau sans défaut en fonction de la taille de défaut / taille de grain), il existe une seule courbe qui combine les deux microstructures. Ce diagramme de Kitagawa sans dimension permet ainsi d’analyser la réduction de la limite de fatigue causée par un défaut. L’utilisation de la taille relative du défaut par rapport à la dimension microstructurale caractéristique apparaît comme plus pertinente que l’emploi de la taille physique réelle du défaut.Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour reproduire les essais en FGNC avec des simulations Éléments Finis sur des microstructures 3D représentatives du fer Armco. La compétition existant entre la concentration de contrainte induite par le défaut géométrique et les régions fortement sollicitées de la microstructure engendrées parl’anisotropie du comportement mécanique des grains est étudiée. Un critère mésoscopique (à partir des grandeurs mécaniques moyennées par grain) basé sur une approche statistique permet de retrouver l’allure du diagramme de Kitagawa adimensionné, c’est-à-dire la taille relative du défaut critique à partir de laquelle ce dernier prend le passur l’hétérogénéité de la réponse de la microstructure et conditionne ainsi la tenue en fatigue du polycristal. La modification du critère mésoscopique par la prise en compte des hétérogénéités intragranulaires (via l’écart-type par grain des grandeurs mécaniques) est discutée
The objective of this thesis is to study the influence of the ratio between the defect size and themicrostructure characteristic length on the fatigue limit (for a fixed fatigue life) of a metallic material, under highcycle fatigue (HCF). Pure Armco iron is chosen because its simple microstructure has a single characteristic lengthat the mesoscopic scale (grain scale) : the grain size. The aim of the study is thus to study the competition betweena structural effect (surface defect) and a material effect (grain size) in the context of mechanical stresses in HCF.In order to obtain a comparable different grain size, a thermomechanical protocol has been developed. HCF tests,using specimens from both microstructure sizes (initial material and processed hardened material) in which hemisphericaldefects of different sizes were introduced, were performed to estimate the fatigue limits for different defectsize / grain size ratios. When Kitagawa diagrams are presented in relative values (fatigue limit / fatigue limit ofdefect free material versus defect size / grain size), there is a single curve that combines the two microstructures.This dimensionless Kitagawa diagram thus makes it possible to analyze the reduction of the fatigue limit inducedby a defect. The use of the relative size of the defect with respect to the characteristic microstructural dimensionappears to be more relevant than the use of the physical size of the defect.These experimental results are used to reproduce the HCF tests with Finite Element simulations on 3D microstructuresrepresentative of Armco iron. The competition existing between the stress concentration induced by thegeometrical defect and the highly stressed regions of the microstructure generated by the anisotropy of the mechanicalbehavior of the grains is studied. A mesoscopic criterion (involving mechanical quantities averaged by grain)based on a statistical approach allows to find the evolution of the dimensionless Kitagawa diagram, ie the relativesize of the critical defect from which it predominates over the response heterogeneity of the microstructure and thusgoverns the fatigue behavior of the polycrystal. The modification of the mesoscopic criterion by taking into accountintragranular heterogeneities (with the standard deviation per grain of mechanical quantities) is discussed

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Wang, Yanjun. "Fatigue Thermique à grand nombre de cycles d’un acier inoxydable austénitique : apport des mesures de champs pour l’identification du chargement et le suivi in-situ de l’endommagement." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLN037/document.

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Abstract:

Ce travail de thèse vise à étudier l'emdommagement induit par la fatigue thermique d'un acier inoxydable austénitique AISI 316L(N), qui est un matériau candidat pour construire les structures internes des réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na). Des réseaux de fissures, aussi appelés "faeïençage thermique", ont été observés en surface des certains composants. L'origine de ce type d'endommagement provient de sollicitations themiques hétérogènes et répétées des parois des composants dans une zone où se mélange du sodium chaud et froid.L'étude de la fatigue thermique à grand nombre de cycles pose des difficultés expérimentales, notamment le maintien tout au long des cycles d'un chargement thermique d'amplitude constante ou encore, la mesure continue de ce chargement thermique et de ses effets en termes de déformation mécanique et d'endommagement dans la zone la plus fortement sollicitée. Une campagne d'essais est réalisée avec un dispositif expérimental original, la machine FLASH. Une procédure spéciale de corrélation multivue hybride qui combine une caméra infrarouge et deux caméras visibles est développée pour réaliser des mesures de champs thermomécaniques et aussi assurer le suivi in-situ de l'endommagement causé par les chocs thermiques produits par un laser de puissance.Les mesures expérimentales sont comparées avec des résultats de simulation thermomécanique. Le bon accord entre ces deux approches permet d'estimer la variation de déformation mécanique équivalente dans la zone la plus forte sollicitée. Une courbe de fatigue reliant le chargement équivalent au nombre de cycles à l'amorçage d'une fissure de 200um est alors construite à partir des résultats d'essais. La comparaison sur cette courbe entre les résultats de fatigue thermique FLASH et des essais de fatigue isothermes uniaxiaux standardisés est jugée satisfaisante (légèrement conservative). De plus, les analyses expérimentles des réseaux de fissures fournissent des informations utiles pour comprendre le mécanisme de multi-fissuration. Les paramètres morphologiques des fissures sont comparés avec les prédictions d'un modèle probabiliste
This PhD work is devoted to the study of thermal fatigue damage of AISI 316L(N) austenitic stainless steel, a candidate material to make the primary cooling system of Sodium-cooled Fast Reators (SFRs). Initiation and propagation of crack networks can be induced by locally constrained thermal expansions or contractions of the component surface subjected to repeated thermal shocks of turbulent coolants.A campaign of high cycle thermal fatigue tests on AISI 316L(N) austenitic stainless steel has been carried out with the FLASH facility. Full field measurements have been performed to capture thermomechanical fields of monitored surfaces in thermal fatigue tests. An original procedure based on hybrid multiview correlation (HMC) uses images acquired by two visible light cameras and one infrared camera. With such a system, Lagrangian temperature fields can be measured and experimental strain or displacement fields can be used to calibrate Finite Element analyses to reproduce the thermomechanical cyclic response of the material in the region of interest. One additional benefit of the spatiotemporal synchronization of the HMC system is that the entire fatigued region has been monitored in-situ during the whole test, without interruptions, which enables crack initiation and propagation to be tracked thanks to the different modalities of the three cameras

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Florin, Pierrick. "Caractérisation rapide des propriétés à la fatigue à grand nombre de cycle des assemblages métalliques soudés de type automobile : vers une nouvelle approche basée sur des mesures thermométriques." Thesis, Brest, 2015. http://www.theses.fr/2015BRES0100/document.

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Abstract:

Malgré plusieurs décennies d'études expérimentales et numériques sur la tenue en fatigue d'assemblages soudés, cette problématique demeure une préoccupation principale de l'industrie automobile. En effet, de nombreux composants aux géométries complexes (e.g. berceaux) sont obtenus à partir de pièces soudées et constituent des éléments de sécurité pour lesquels aucune défaillance ne peut être acceptée. Malgré les progrès en modélisation numérique, des essais sont toujours nécessaires afin de fournir des données sur éprouvettes « simples » afin d'alimenter les modèles numériques, mais aussi de démontrer le bon dimensionnement des structures. Les procédures classiques d'essais de fatigue sont coûteuses en temps et nécessitent la destruction de plusieurs pièces. La méthode dite d'auto-échauffement permet de réduire significativement le temps d'essai et propose une approche non destructive. Cette méthode consiste à mesurer l'évolution de température en surface de la structure étudiée au cours du chargement cyclique. Cette approche permet de tirer avantage du signal thermique macroscopique afin de mettre en évidence la micro-plasticité responsable de la rupture par fatigue. Les objectifs du travail présenté sont de déterminer si un lien peut être réalisé entre les mesures de température et la tenue en fatigue d'assemblages soudés, puis d'étudier l'influence de paramètres sur la tenue en fatigue grâce à la méthode proposée. Un protocole expérimental est d'abord proposé afin de mesurer l'évolution de température des mini-structures soudées sous sollicitation cyclique. Une première analyse de la réponse thermique de simples tôles d'acier sous chargement cyclique de faible amplitude est proposée afin de valider un modèle déterministe de champ de source à la fois pour des sollicitations de traction et de flexion. Ces essais permettent par la suite de décrire correctement le comportement thermique de la matière de base des éprouvettes soudées hors du cordon de soudure. Le modèle est alors étendu à l'étude d'éprouvettes soudées, avec la prise en compte de la dissipation de la zone soudée. Une fois le champ de source identifié à partir du modèle, son évolution en fonction de l'amplitude du chargement appliqué mène à une courbe d'auto-échauffement. L'analyse de cette courbe permet une bonne estimation de la limite en fatigue de l'éprouvette soudée après seulement quelques heures d'essais. La méthode est alors appliquée à d'autres configurations de mini-structures soudées afin d'étudier l'influence du grenaillage et d'un gradient de contrainte en zone critique sur la tenue en fatigue. Finalement, la procédure d'essai est appliquée afin de déterminer la tenue en fatigue d'une pièce industrielle, un triangle de suspension mécano-soudé. À cause des mauvaises conditions aux limites thermiques sur une telle structure, une autre méthode est proposée afin de déduire une première estimation du champ de source sur toute la surface observée à partir des mesures thermiques. Cette estimation mène à l'identification de la zone critique en fatigue de la structure et à une première bonne estimation de sa limite en fatigue
Fatigue design of weld assemblies still remains of prior concern in the automotive industry, despite several decades of experimental, theoretical and numerical body of work. Actually, many complex components (e.g. front and rear axles) are embedded thanks to welding process. Such welded assemblies are expected to be designed as high-safety parts, for which any fatigue failure is supposed to be prevented. Despite numerical modelling is more and more effective, experimental tests are still necessary in order to provide basic design data and at last to prove the design reliability. Standard fatigue tests procedures are sensibly time consuming, are usually destructive and need for several specimens in order to manage reliable results. Conversely, the so-called self-heating tests offer the opportunity to dramatically shorten the test duration and save specimens because it is a non-destructive method. It consists in measuring the temperature evolution of the structure surface during cyclic loading. Such an approach allows to take advantage of the macroscopic thermal signature of microscopic plasticity processes responsible for fatigue damage. The purpose of the present work is the determination of a correlation between thermal measurement and fatigue properties of welded structures, and then studying the influence of parameters on fatigue properties with the developed method. An experimental protocol is first proposed to measure the temperature of the tested specimen under cyclic loading. A first analysis of the thermal response of standard steel sheet specimen under low load amplitude is proposed in order to validate a deterministic heat source model for both tensile and bending tests. These tests allow us to correctly describe the thermal behavior of the base material of welded specimen away from the joint. Then, the model is extended to welded specimen in order to take into account the dissipation of the welded area. Once the dissipative heat source is identified thanks to the model, its evolution with the applied loading leads to a self-heating curve allowing an estimation of the fatigue limit of the welded specimen after only few hours of test. The method is then applied to other configurations of welded specimens in order to study the effects of shot peening and stress gradient on fatigue properties. Finally, the testing procedure is applied for the determination of an industrial component fatigue properties, a welded car wishbone. Due to the bad heat boundary condition, another analysis is proposed to estimate the heat source along the entire component. This estimation leads to the determination of the weakest area of the structure concerned by fatigue and a first good estimation of its fatigue limit

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Zhao, Mengxiong. "Ultrasonic fatigue study of Inconel 718." Thesis, Paris 10, 2018. http://www.theses.fr/2018PA100063/document.

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Abstract:

L’Inconel 718 est utilisé dans les disques de turbine des moteurs d’avion, de par sa haute résistance à la corrosion, à l’oxydation, au fluage et sa haute résistance mécanique à très haute température. Le nombre total de cycles de ces composants mécaniques s’élève à 109~1010 durant sa vie. Ils subissent des chargements de grande amplitude à faible fréquence, comme les forces centrifuges ou les contraintes thermiques mais aussi des chargements de faibles amplitudes à très haute fréquence, du aux vibrations des pales. Dans ce travail, on se propose d’étudier la fatigue à très grand nombre de cycles (VHCF) de l’Inconel 718 en utilisant des machines de fatigue ultrasonique, fonctionnant à 20KHz. Le système d’acquisition utilise des cartes NI et le logiciel LabView pour superviser la fréquence, la température, les déplacements durant toute la durée des tests. Des capteurs laser Keyence utilisant deux sondes pour les faces supérieure et inférieure de l’éprouvette permettent de capturer la fréquence et les modes de vibration. La différence entre les valeurs moyennes mesurées permet d’accéder à l’allongement de l’éprouvette, dû à l’auto-échauffement.3 types de matériaux avec différents traitements thermiques, AR, DA et DAHQ de l’ONERA et SAFRAN sont comparés. La différence au niveau de la taille de grain, de la phase, des précipités, … est analysée par micrographie métallographique en utilisant un microscope optique (MO) et un microscope électronique à balayage (MEB). Le comportement en traction quasi-statique et sous chargement cyclique contrainte-déformation est aussi proposé. La transition entre durcissement et adoucissement cyclique apparait à l’issue du traitement thermique. Finalement, les surfaces de ruptures sont observées en utilisant des caméras optiques et un MEB afin d’identifier les mécanismes de ruptures de l’Inconel 718 dans le domaine de la fatigue à très grand nombre de cycles
Inconel 718 is widely used in turbine disk of aeronautic engines, due to its high resistance to corrosion, oxidation, thermal creep deformation and high mechanical strength at elevated temperature. The total cycle of these mechanical components is up to 109~1010 during its whole lifetime. It endures high-amplitude low-frequency loading including centrifugal force or thermal stress, and also low-amplitude high-frequency loading came from vibration of blade.In this work, the very high cycle fatigue (VHCF) behaviour of Inconel 718 with self-heating phenomenon without any cooling is studied using ultrasonic fatigue system at 20KHz. Acquisition system is improved using NI capture card with LabView for monitoring the frequency, temperature, displacement and so on during all the tests. Keyence laser sensor with two probes at the top and bottom surfaces of the specimens is used to reveal the frequency and vibration mode. The difference of mean values between these two probes is the elongation of the specimen caused by self-heating phenomenon.Three sets of materials with different heat treatment, As-Received (AR), Directly Aged (DA) and Directly Aged High Quality (DAHQ) from ONERA and SAFRAN are compared. The difference of grain size, phase, precipitate particle, etc. is investigated by metallographic micrograph using optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM). Quasi-static uniaxial tensile property and cyclic stress-strain response is also proposed. The transition from cyclic hardening to cyclic softening appears after aged heat treatment. Finally, fracture surfaces are observed using optical camera and scanning electron microscope in order to identify the mechanism of fracture of Inconel 718 in the VHCF domain

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Bidouard, Hadrien. "Etude de l'effet de surcharges sur la tenue en fatigue à grande durée de vie d'un acier ferrito-bainitique sous chargement d'amplitude variable." Phd thesis, Paris, ENSAM, 2009. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00005937.

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Abstract:

Les pièces de châssis automobile sont dimensionnées pour résister à l'amorçage des fissures de fatigue sous les chargements d'amplitude variable qu'elles supportent en service. Des surcharges incidentelles appartenant au domaine de la fatigue oligocyclique, peuvent toutefois arriver dans la vie d'une automobile (nid de poule, montée d'un trottoir à vive allure). L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence de telles surcharges sur la résistance à l'amorçage de fissures de fatigue dans le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles (de 100.000 à 10.000.000 de cycles). L'objectif industriel à moyen terme est le développement d'une méthode de dimensionnement en fatigue permettant une prise en compte réaliste de ces surcharges. Face à la faible quantité de travaux expérimentaux trouvés sur les interactions fatigue oligocyclique/fatigue à grand nombre de cycles '', une base de données a été constituée grâce à une campagne d'essais réalisée sous différents cas de chargements réalistes d'amplitude constante et variable, avec et sans surcharges, sur des éprouvettes entaillées (Kt=2,5). La géométrie d'entaille définie ainsi que le matériau utilisé (acier ferrito-bainitique) sont représentatifs de ceux rencontrés sur les bras de suspensions automobiles permettant ainsi d'assurer une transférabilité vers les structures industrielles. Cette campagne d'essais a permis de mettre en évidence un effet néfaste des surcharges sur la résistance à l'amorçage d'une fissure pour certains cas de chargements. Une très forte sensibilité au rapport de charge utilisé a pu être mise en évidence. Les durées de vie observées correspondant majoritairement à une phase d'amorçage, celle-ci a été étudiée au travers de l'analyse du comportement cyclique du matériau, grâce à des essais à contraintes et déformations imposées sur éprouvettes lisses et entaillées. Ces essais ont permis de mettre en évidence l'apparition d'un effet de Rochet sur éprouvettes entaillées au bout d'un certain nombre de cycles conditionnant l'amorçage d'une fissure. L'effet néfaste des surcharges sur la tenue en fatigue peut s'expliquer par l'interaction surcharge/effet de Rochet : il a été montré que l'application de surcharges entraîne une diminution du nombre de cycles nécessaire au déclenchement du Rochet. Cette accélération fait suite à la propagation des bandes de Piobert-Lüders liée à l'application des surcharges augmentant localement la densité de dislocations, phénomène favorable à l'apparition du Rochet.

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Ma, Zepeng. "Fatigue models for life prediction of structures under multiaxial loading with variation in time and space." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLX117/document.

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Abstract:

L'objet de ce travail est de proposer une approche multi-échelle de la fatigue fondée sur l'énergie, et susceptible d'estimer les durées de vie associées à des chargements multidimensionnels variables. Le fondement de la démarche consiste à supposer que l'énergie dissipée à petite échelle régit le comportement à la fatigue. À chaque point matériel, est associée une distribution stochastique de points faibles qui sont susceptibles de plastifier et de contribuer à la dissipation d'énergie sans affecter des contraintes macroscopiques globales. Ceci revient à adopter le paradigme de Dang Van en fatigue polycyclique. La structure est supposée élastique (ou adaptée) à l'échelle macroscopique. De plus, on adopte à l'échelle mésoscopique un comportement élastoplastique avec une dépendance de la fonction de charge plastique non seulement de la partie déviatorique des contraintes, mais aussi de la partie hydrostatique. On considère également un écrouissage cinématique linéaire sous l'hypothèse d'une plasticité associée. Au lieu d'utiliser le nombre de cycles comme variable incrémentale, le concept d'évolution temporelle du chargement est adopté pour un suivi précis de l'historique du chargement réel. L'effet de la contrainte moyenne est pris en compte dans la fonction de charge mésoscopique ; une loi de cumul non linéaire de dommage est également considérée dans le modèle. La durée de vie à la fatigue est ensuite déterminée à l'aide d'une loi de phénoménologique fondée sur la dissipation d'énergie mésoscopique issue du cycle d'accommodation plastique. La première partie du travail a porté sur une proposition d'un modèle de fatigie à gradient de mise en oeuvre plus simple que les précédents modèles
The aim of this work is to propose a multi-scale approach to energy-based fatigue, which can estimate lifetimes associated with variable multidimensional loading. The foundation of the approach is to assume that the energy dissipated on a small scale governs the fatigue behavior. Each material point is associated to a stochastic distribution of weak points that are likely to plasticize and contribute to the dissipation of energy without affecting global macroscopic stresses. This amounts to adopting Dang Van's paradigm of high cycle fatigue. The structure is supposed to be elastic (or adapted) on a macroscopic scale. In addition, we adopt on the mesoscopic scale an elastoplastic behavior with a dependence of the plastic load function not only of the deviatoric part of the stresses, but also of the hydrostatic part. Linear kinematic hardening is also considered under the assumption of an associated plasticity. Instead of using the number of cycles as an incremental variable, the concept of temporal evolution of the load is adopted for a precise follow-up of the history of the actual loading. The effect of mean stress is taken into account in the mesoscopic yield function; a law of nonlinear accumulation of damage is also considered in the model. Fatigue life is then determined using a phenomenological law based on mesoscopic energy dissipation from the plastic accommodative cycle. The first part of the work focused on a proposal for a fatigue model with a simpler implementation gradient than the previous models

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Liang, Xiaoyu. "Comportement en fatigue à grand nombre de cycle d’un acier inoxydable 316L obtenu par fabrication additive : effets de la microstructure, de la rugosité et des défauts." Thesis, Paris, HESAM, 2020. http://www.theses.fr/2020HESAE017.

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Abstract:

Cette étude vise à étudier l'influence de la microstructure, de la rugosité et des défauts de surface sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) d'un acier inoxydable 316L obtenu par fabrication additive (FA). Composée d’un volet expérimental et d’un volet numérique, elle est motivée par le fait que les matériaux issus du procédé de FA présentent souvent un état de surface et une microstructure très distincts des couples procédés de fabrication / matériaux conventionnels. Afin de clairement identifier le rôle joué par chacun des facteurs influents sur la réponse en fatigue, différentes techniques de caractérisation (Profilométrie, EBSD, Tomographie RX, dureté …) sont employées et permettent de mettre en évidence un niveau de rugosité important après fabrication ainsi que des textures morphologiques et cristallographiques marquées. Pour ce qui est du comportement sous chargement mécanique, des essais cycliques à déformation totale imposée mettent en évidence un écrouissage cyclique avec durcissement puis adoucissement. Une importante campagne d’essais en fatigue est conduite sous différents modes de chargement (traction, flexion, torsion) et pour différentes configurations d’état de surface (brut de fabrication, poli). L’analyse des faciès de rupture fait apparaître le rôle prépondérant joué par les défauts de type « lack of fusion » sur les mécanismes d’amorçage en surface des fissures de fatigue. Un diagramme de type Kitagawa-Takahashi est construit à partir de l’observation de la taille des défauts à l’amorçage et le rôle des amas de défaut est clairement démontré. L’étude numérique comporte deux parties distinctes avec, d’abord, un travail préliminaire relatif à la construction d’une méthode non locale adaptée à la prise en compte des effets de microstructure en fatigue dans le cas d’un acier 316L corroyé. A partir des données collectées lors de la campagne expérimentale portant sur l’acier SLM 316L, un modèle d'éléments finis tenant compte de la rugosité, des défauts et de la microstructure est construit. Les calculs sont conduits en utilisant un comportement de type élasticité cubique associé ou pas à de la plasticité cristalline. À l'aide d’une approche faisant appel à la statistique des extrêmes, les résultats des simulations EF sont analysés de manière à quantifier les effets respectifs de la rugosité de surface, de la taille et morphologie des grains, de la texture cristallographique et des défauts
This study aims to investigate the influence of both the microstructure and surface defects on the high cycle fatigue (HCF) behavior of a 316L stainless steel obtained by additive manufacturing (AM). Surface defects and microstructure are dominant factors of fatigue behavior, while the AM materials often exhibit distinguished surface state and microstructure compared to conventional materials. The current study begins with an investigation of the material properties that are related to fatigue behavior. Microstructure observations of the powder and fabricated specimens are undertaken. Profilometry and tomography analyses make the inherent defects visible. The hardness, elastic behavior and elastic-plastic behavior are studied via mechanical tests. Then, load-controlled fatigue tests concerning different surface-treated specimens under different loading types are conducted. To reveal the mechanism of fatigue failure in the studied specimens, a comprehensive fractography analysis is carried out. Experimental research reveals the weakening of fatigue strength due to lack-of-fusion defects. Yet, the effect of the microstructural attributes is difficult to evaluate without numerical tools. A preliminary numerical study about the application of the non-local method in an explicit microstructure sensitive model is undertaken to complement the microstructure-sensitive modeling framework. Based on the data collected in the experimental campaign, a finite element model that can take into consideration of the defects and the microstructure of the SLM SS 316L is built up. Finite element analyses are performed with both cubic elasticity and polycrystal plasticity constitutive laws. With the help of the statistical method, the results from the FE model are used to quantitatively assess the influence of surface roughness and microstructural attributes on the fatigue performance of SLM SS 316L

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Godet, François. "Influence de la microstructure sur le comportement mécanique d’une couche nitrurée de l’acier de nuance 33CrMoV12-9 en vue de l’optimisation des propriétés en fatigue." Thesis, Paris, ENSAM, 2018. http://www.theses.fr/2018ENAM0046/document.

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Abstract:

Le développement de systèmes mécaniques, toujours plus performants et légers, demande l’optimisation continue des matériaux utilisés ainsi que leurs traitements. Dans le domaine des transmissions de puissance, la nitruration gazeuse apporte une hausse significative des durées de vie en fatigue des pièces fortement sollicitées. Alors que le rôle des gradients de propriétés mécaniques générés sur la résistance en fatigue est reconnu, l’influence de cette microstructure nitrurée sur les mécanismes de plasticité ou de microplasticité menant à de l’endommagement puis à l’initiation d’une fissure reste relativement méconnue. Ce travail de thèse concerne exclusivement la nitruration de l’acier de nuance 33CrMoV12-9, particulièrement utilisée dans les roulements et engrenages des industries aéronautiques et navales. Les propriétés mécaniques liées aux phénomènes menant à l’initiation de fissures en fatigue à grand nombre de cycles ont, tout particulièrement, été étudiées. Les propriétés mécaniques, comme le module d’élasticité, la dureté, la limite d’élasticité ou encore les contraintes résiduelles sont déterminées à plusieurs échelles, de celles de la microstructure à celles plus macroscopiques. Des observations in-situ ou post-mortem des couches nitrurées sollicitées jusqu’à l’endommagement ayant pour but d’estimer l’influence de la microstructure sur les hétérogénéités de déformations, les phénomènes de microplasticité et les mécanismes d’endommagement correspondants n’ont pas permis d’identifier clairement des mécanismes d’initiations de fissures. Pour ces essais, une éprouvette nitrurée à cœur représentative de la couche nitrurée a été développée. Cet outil expérimental a permis d’effectuer des essais simples de sollicitations des microstructures et ainsi déterminer des caractéristiques élastiques, d’écrouissage et de tenue en fatigue. Enfin, il a été démontré que les propriétés mesurées comme le module d’élasticité dépendent de l’échelle d’observation, des moyens et des méthodes utilisés
Design of high-performance and lighter mechanical systems needs a perpetual work on materials used. In the power transmission field, gaseous nitriding thermochemical treatment enhances significantly the life-cycle of the parts which are higher stressed on the surface. While the contribution of the mechanical property gradients due to the treatment on the fatigue life is well-known, the microstructure effects on the (micro-)plasticity mechanisms remains undetermined. This work concerns exclusively the nitrided 33CrMoV12-9 graded steel, used for gears and bearings in the naval and aeronautical industry. It aims particularly at defining mechanical properties linked to crack initiation mechanisms during high-cycle fatigue. Properties such as Young modulus, hardness, yield stress and fatigue limits are looked at several scales, from microstructural ones to hardened case one. In-situ and post-mortem investigation on loaded and damaged nitrided layers leads to estimating the microstructural influence on local deformations, microplasticity and damage but no particular mechanisms were found. Special fully-nitrided parts were designed to perform the experiments. This tool helps to carry out simple loadings and measure the strain-hardening curve and fatigue limits. Finally, it as been attested that measured properties depend on scales, means and methodology

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Gerin, Benjamin. "Modélisation des effets de défauts et d’intégrité de surface sur la tenue en fatigue dans les composants forgés." Thesis, Paris, ENSAM, 2016. http://www.theses.fr/2016ENAM0040/document.

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Abstract:

Cette étude fait partie du projet ANR DEFISURF, avec pour objectif d'identifier et de modéliser les divers effets de la surface sur la tenue en fatigue de composants forgés. Deux composants sont étudiés: une éprouvette extrudée à froid et une bielle estampée à chaud et nettoyée de sa calamine par grenaillage (shot-blasting). Pour chaque composant, différents lots sont étudiés afin de quantifier l'effet des procédés sur les caractéristiques mécaniques et sur le comportement en fatigue. Deux taux de corroyage différents sont utilisés pour l'extrusion à froid. Pour les bielles, différents grenaillages sont réalisés pour obtenir divers états de surface.Les différents lots sont caractérisés de façon approfondie et des essais de fatigue sont effectués. Des essais de fatigue en traction, torsion et flexion plane sont réalisés sur les éprouvettes extrudées. Des éprouvettes de fatigue sont prélevées dans l'âme des bielles et sollicitées en flexion plane.En extrusion à froid, les aspects les plus influents en fatigue sont la prédéformation subie lors de la mise en forme (taux de corroyage) et les contraintes résiduelles. En forgeage à chaud, ce sont les défauts de forgeage en surface et les contraintes résiduelles introduites par le grenaillage qui ont le plus d'influence.Une modélisation en fatigue est proposée pour chaque composant. Pour l'extrusion, un critère de fatigue multiaxial permet de prendre en compte les différents types de chargement ainsi que l'effet des contraintes résiduelles. Pour les bielles deux approches sont utilisées. La première est une analyse de la géométrie des défauts qui utilise un demi-ellipsoïde pour approximer leur forme. La deuxième approche est une simulation numérique par éléments finis des défauts critiques. Les contraintes résiduelles sont intégrées dans les simulations avec un critère multiaxial. Les simulations permettent de retrouver les résultats expérimentaux avec une erreur d'environ 15%
This study is part of the DEFISURF project, with the goal of analysing and modelling the various effects of the surface on the fatigue strength of forged components. Two components are studied: a cold-extruded specimen and a connecting rod which is hot-forged and then cleaned by shot-blasting. For each component, different batches are studied in order to quantify the effects of the process on the mechanical characteristics and the fatigue behaviour. Two different reduction of sections are used for the cold-extruded specimens and shot-peening is used to obtain various surface states for the connecting rods.The various batches are thoroughly characterised and fatigue tests are performed. Traction, torsion and plane-bending tests are conducted on the cold-extruded specimens. Fatigue specimens are machined from the central part of the connecting rods and loaded in plane-bending.For cold-extrusion, the parameters with the most influence in fatigue are the prestrain induced during forging and the residual stresses. In hot-forging, the surface defects produced during forging and the residual stresses induced by the shot-blasting have the most influence.For each component, a fatigue model is suggested. For the cold-extruded specimens, a multiaxial fatigue criterion is used to take into account the various fatigue loadings and the effect of the residual stresses. Two approaches are used for the connecting rods. The first is a geometrical analysis of the defect which approximates them with an ellipsoid. The second approach uses finite element simulations of the critical defects. The shot-peening residual stresses are integrated in the simulations with a multiaxial criterion. These simulations predict the fatigue limit of the specimens with an error of around 15%

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Mille, Pierre. "Comportement mecanique et metallurgique de l'alliage de titane ta6v dans le domaine de la resistance a la fatigue a grand nombre de cycles : etude de modifications de surface et application a l'amorcage de fissures." Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008), 1987. http://www.theses.fr/1987STR13132.

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Abstract:

Etude de la resistance a la fatigue de l'alliage soumis a des modifications en surface. Les transformations sont obtenues de trois facons differentes : mecanique par grenaillage de precontrainte, thermique au laser de puissance, chimique par implantation d'ions azote. L'alliage est ensuite soumis a des essais de flexion rotative ou a des essais de flexion alternee

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Mille, Pierre. "Comportement mécanique et métallurgique de l'alliage de titane TA6V dans le domaine de la résistance à la fatigue à grand nombre de cycles étude de modifications de surface et application à l'amorçage de fissures /." Grenoble 2 : ANRT, 1987. http://catalogue.bnf.fr/ark:/12148/cb37608020x.

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Chamat, Abderrahim. "Prévision de la durée de vie en fatigue des roues ferroviaires sous ollicitations multiaxiale proportionnelle et non-proportionnelle." Metz, 2005. http://docnum.univ-lorraine.fr/public/UPV-M/Theses/2005/Chamat.Abderrahim.SMZ0509.pdf.

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Abstract:

L'expérience industrielle montre que la rupture des pièces de machines ou de structures en fonctionnement normal est souvent due à la fatigue. Le but de ce travail est de proposer un critère prévisionnel de la durée de vie de la roue ferroviaire en fatigue illimitée. Pour cela, un signal a été relevé à partir d'essais effectués sur une roue ferroviaire. Ce signal a été appliqué à des éprouvettes prélevées sur la roue. La machine de type INSTRON dont on dispose n'est pas prédisposée pour la réalisation de ce type de chargement. C'est pourquoi, toute une programmation par le biais de logiciel labview a été nécessaire afin d'introduire ce signal point par point. Les résultats expérimentaux sont comparés aux prévisions des divers critères. L'application, des derniers critères, a donné des prévisions non concordantes et différentes des résultats expérimentaux. Dans cette perspective, un modèle semi local basé sur l'application de l'approche volumétrique a été proposé. Pour représenter les essais sur la courbe de résistance de fatigue, deux méthodes ont été proposées. La première consiste à introduire un facteur multiplicateur de charge en fonction du nombre cycles à rupture. La deuxième consiste à représenter la contrainte de von Mises maximale en fonction du nombre de cycles à rupture. De nombreuses études ont conclu l'influence du signal en domaine d'endurance. Nos résultats expérimentaux ont confirmé ces propos. L'effet du chargement sur la durée de vie ne devient négligeable qu'à partir d'une durée de vie 1019 cycles, c'est-à-dire pour des faibles valeurs
The experience shows that the fracture of the components or structures in normal working conditions is often due to fatigue. The aim of this works is to propose a criterion which predicts the life duration in endurance fatigue. For this purpose, a signal has been raised during the tests. In order to apply this signal the specimens are extracted from the wheel. Annexe Fatigue Multiaxiale en endurance illimitée 145. Our Instron machine is not predisposed for the realization of this type of loading ; therefore a Labview program has been set which enables to introduce all points of the cycle. The experimental results are compared to the prediction of the various criteria. The application of the various criteria predicted results different from the experimental data. In this perspective, a semi local approach based on the application of the volumetric method has been proposed. Two methods have been proposed to depict the test results in fatigue strength diagram. The first consists in depicting a load factor as a function of the number of cycles to fracture. While the second consists in representing the maximal von Mises stress versus the number of cycles to fracture diagram. Numerous studies showed the influence of the signal in the endurance domain. Experimental results of the present study confirmed these findings. It is noted, the effect of the loading on the life duration becomes negligible from a life duration of 10-7cycles i. E. Low values

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Torabiandehkordi, Noushin. "High and very high cycle fatigue behavior of DP600 dual-phase steel : correlation between temperature, strain rate, and deformation mechanisms." Thesis, Paris, ENSAM, 2017. http://www.theses.fr/2017ENAM0020/document.

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Abstract:

Ce travail vise à améliorer notre compréhension du comportement en fatigue à grand et très grand nombre de cycles d’un acier ferrito-martensitique dual phase, notamment les effets de la température et de la vitesse de déformation résultant de chargements cycliques à haute fréquence. L'effet de la fréquence sur la réponse en fatigue de l'acier DP600 a été étudié en effectuant des essais de fatigue sur une machine ultrasonique travaillant à 20 kHz et sur une machine conventionnelle travaillant à des fréquences inférieures à 100 Hz. Des études de fractographie et des observations microscopiques à la surface des échantillons ont été effectuées pour étudier les mécanismes de déformation et de rupture. De plus, la thermographie infrarouge in situ a été utilisée pour étudier la réponse thermique et les mécanismes dissipatifs du matériau lors des essais de fatigue. Les courbes S-N ont été déterminées à partir de chargements de fatigue ultrasoniques à 20 kHz et d’essais conventionnels à 30 Hz. La durée de vie pour une amplitude de contrainte donnée est plus élevée dans le cas de la fatigue ultrasonique bien que la limite de fatigue soit identique dans les deux cas. L’augmentation inévitable de la température en fatigue ultrasonique à fortes amplitudes de contraintes, ainsi que le comportement dépendant de la vitesse de déformation de la ferrite, en tant que structure CC, ont été trouvés comme les paramètres clés expliquant le comportement observé en fatigue, et la réponse thermique sous les fréquences faibles et ultrasoniques. Les écarts observés entre l’essai de fatigue conventionnel et celui ultrasonique ont été évalués à travers les mécanismes de mobilité des dislocations vis dans la phase ferritique de structure cubique centrée (CC). La durée de vie plus élevée et l’amorçage de la fissure principale sur une inclusion observés en fatigue ultrasonique ont été attribués au vieillissement dynamique résultant du fort auto-échauffement du matériau aux fortes amplitudes de contraintes. L'existence d'une transition du régime thermiquement activé au régime athermique avec l’augmentation de l'amplitude de contrainte a été mise en évidence. Au-dessous de la limite de fatigue, la déformation a lieu dans un régime thermiquement activé alors qu'elle est dans un régime athermique au-dessus de la limite de fatigue. En fatigue conventionnelle, la déformation est athermique pour toutes les amplitudes de contrainte. Une carte de transition a été produite en utilisant les résultats expérimentaux pour l'acier DP600 ainsi que les données disponibles dans la littérature pour d'autres aciers à base de ferrite, montrant ainsi la corrélation entre le mouvement des dislocations vis thermiquement activé et l'absence de rupture en fatigue à très grand nombre de cycle
This work is an attempt towards a better understanding of the high cycle and very high cycle fatigue behaviors of a ferritic-martensitic dual-phase steel, with a regard to temperature and strain rate effects, resulting from accelerated fatigue loading frequencies. The influence of frequency on fatigue response of DP600 steel was investigated by conducting ultrasonic and conventional low frequency fatigue tests. Fractography studies and microscopic observations on the surface of specimens were carried out to study the deformation and fracture mechanisms under low and ultrasonic frequencies. Moreover, in situ infrared thermography was carried out to investigate the thermal response and dissipative mechanisms of the material under fatigue tests. The S-N curves were determined from ultrasonic 20-kHz fatigue loadings and conventional tests at 30 Hz. Fatigue life for a given stress amplitude was found to be higher in the case of ultrasonic fatigue whereas the fatigue limit was the same for both cases. Moreover, crack initiation was always inclusion-induced under ultrasonic loading while under conventional tests it occurred at slip bands or defects on the surface. The inevitable temperature increase under ultrasonic fatigue at high stress amplitudes along with the rate dependent deformation behavior of ferrite, as a body centered cubic (BCC) structure, were found as the key parameters explaining the observed fatigue behavior and thermal response under low and ultrasonic frequencies. The discrepancies observed between conventional and ultrasonic fatigue tests were assessed through the mechanisms of screw dislocation mobility in the ferrite phase as a BCC structure. The higher fatigue life and inclusion-induced crack initiations in the case of ultrasonic loading were attributed to the dynamic strain aging, which resulted from the high temperature increases at high stress amplitudes. The existence of a transition in deformation regime from thermally-activated to athermal regime under ultrasonic fatigue loading by increasing the stress amplitude was confirmed. Below the fatigue limit, deformation occurred in thermally-activated regime while it was in athermal regime above the fatigue limit. Under conventional loading deformation occurred in athermal regime for all stress amplitudes. From the analysis of the experimental data gathered in this work, guidelines were given regarding the comparison and interpretation of S-N curves obtained from conventional and ultrasonic fatigue testing. A transition map was produced using the experimental results for DP600 steel as well as data available in the literature for other ferrite based steels, showing the correlation between thermally-activated screw dislocation movement and the absence of failure in very high cycle fatigue

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Maquin, François. "MÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE D'ÉTUDE DU COMPORTEMENT THERMO-MÉCANIQUE DES MATÉRIAUX SOUS SOLLICITATIONS CYCLIQUES." Phd thesis, Paris, ENSAM, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00351687.

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Abstract:

L'utilisation de la température comme variable d'état dans les études de comportement des matériaux, bien que prometteuse, est rarement adoptée. Les difficultés métrologiques expérimentales qui apparaissent, en particulier dans le contexte de la fatigue à grand nombre de cycles, expliquent en partie ce délaissement. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie expérimentale suffisamment sensible pour détecter les variations d'énergie thermique dissipée lors de la déformation cyclique d'un matériau à des niveaux de contraintes inférieurs à la limite élastique macroscopique. Elle consiste à déterminer les différents termes de l'équation de la chaleur en partant du champ de température acquis à l'aide d'une caméra infrarouge. L'écart type du bruit global de la méthode est de 1 mK.s-1, exprimé en vitesse d'échauffement. Cette résolution est obtenue grâce à un certain nombre de précautions expérimentales, à la prise en compte de l'ensemble des échanges thermiques et à un traitement simple mettant à profit les caractéristiques de la caméra infrarouge matricielle. La procédure expérimentale développée est testée sur un acier à très bas carbone et un aluminium A5. Elle permet en particulier de suivre la dissipation thermique due à l'adaptation microplastique du matériau aux premiers cycles de sollicitations et de distinguer les seuils de passage d'un comportement élastique à viscoélastique puis microplastique. Les performances obtenues devraient permettre de lever une partie des verrous limitant le choix de la température comme variable d'observation du comportement des matériaux.

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Koutiri, Imade. "Effet des fortes contraintes hydrostatiques sur la tenue en fatigue des matériaux métalliques." Phd thesis, Paris, ENSAM, 2011. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00599125.

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Abstract:

Ces travaux de thèse traitent des effets des fortes contraintes hydrostatiques sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles des matériaux métalliques. Il s'agit d'étudier, d'une part, l'effet de la contrainte moyenne (et plus particulièrement des fortes contraintes moyennes ou forts rapports de charge) et, d'autre part, l'effet de la biaxialité. Dans une première partie, une campagne d'essais importante est réalisée sur deux matériaux, un alliage d'aluminium de fonderie AlSi7Cu05Mg03 et un alliage d'aluminium corroyé 2024-O. L'effet de la contrainte moyenne et de la biaxialité (dans le cas de chargement de traction biaxiale) sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) des matériaux est caractérisé. Une attention particulière est portée à la description et à l'analyse des mécanismes d'endommagement. Une étude des modélisations existantes dans la littérature est réalisée visant à donner un aperçu sur leurs capacités à prendre en compte les effets des fortes contraintes hydrostatiques. Une modélisation adéquate est ensuite proposée pour le cas particulier de l'alliage d'aluminium de fonderie étudié. Basé sur une approche probabiliste, elle permet de refléter la compétition entre les différents mécanismes d'endommagement locaux observés et de rendre compte efficacement des effets de moyenne et de biaxialité. Les observations conduites sur différents alliages métalliques ont également montré, pour les plus forts rapports de charge, qu'un endommagement généré lors du premier quart de cycle pouvait modifier les conditions d'apparition d'une fissure. Un critère de fatigue basé sur un couplage plasticité-endommagement à l'échelle mésoscopique est alors mis en place. Il rend compte des principales tendances expérimentales notamment celles relatives au chargement de traction biaxiale.

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Pu, Xiaoxue. "Thermomechanical study of the gigacycle fatigue behavior of pure iron and carbon-manganese steels : influence of chemical composition and microstructure on damage and crack initiation mechanism." Thesis, Paris 10, 2019. http://www.theses.fr/2019PA100051.

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Abstract:

Ce travail tente de mieux comprendre les dommages par fatigue dans les aciers à ferrite-perlite dans la fatigue à très grand nombre de cycles (VHCF). Les influences de deux paramètres, le pourcentage de phase perlite et le pourcentage d'atomes interstitiels libres dans une solution solide, sont étudiées pour comprendre les mécanismes de dissipation en fatigue à 20 kHz. Une thermographie infrarouge in situ est réalisée pour enregistrer les changements de température, tandis que des observations au microscope sont menées pour étudier le mécanisme de dissipation. Pour les matériaux de BCC, sous fortes amplitudes de contrainte, une augmentation soudaine de la température se produit sans initiation de fissure ni fracture. L’augmentation inévitable de la température jusqu’à des centaines de degrés aux fortes amplitudes de contrainte est principalement due à la mobilité des dislocations vis, qui est l’une des clés permettant d’expliquer le comportement en fatigue observée de la structure du BCC sous un chargement haute fréquence. Par conséquent, les PSB en surface et les micro-vides dans la matrice émergent en masse, accompagnant cette élévation abrupte de la température. Ces phénomènes sont considérés comme une transition du mécanisme de déformation du régime thermique au régime athermique. À faible amplitude, peu de PSB ou de rugosité de surface sont encore observés. Il a été constaté que les PSB sur le fer armco étaient susceptibles d’apparaître avant 1x107 cycles et que le seuil de PSB était inférieur à la limite de fatigue conventionnelle. La présence d'atomes interstitiels libres dans les aciers entraîne l'apparition d'une augmentation secondaire de la température dans la domain de la température stabilisée à 100-200 °C. Ce comportement semble être lié à l'interaction des dislocations coins avec des atomes interstitiels libres. De plus, on pense que le phénomène remarquable de durcissement-adoucissement-durcissement après l'élévation soudaine de la température jusqu'à plus de 300 °C est l'interaction de dislocations à vis multipliées et d'atomes interstitiels libres
This work attempts to a better understanding of the fatigue damage in ferrite-pearlite steels in the Very High Cycle Fatigue (VHCF) domain. The influences of two parameters, pearlite phase percentage and free interstitial atoms percentage in solid solution, are investigated to understand dissipative mechanisms under 20 kHz high frequency fatigue loading. In-situ infrared thermography is carried out to record the temperature changes, while fractography studies and microscope observations are conducted to investigate the dissipative mechanism on the surface of specimens.For body centered cubic (BCC) materials, under high stress amplitudes, a sudden increase of the temperature occurs without a crack initiation and fracture. The inevitable temperature increase up to hundreds of degrees at high stress amplitudes, is caused mainly by the screw dislocations mobility, which is the key to explaining the observed fatigue behavior and thermal response of BCC structure under high frequency loading. Therefore, PSBs on surface and micro-voids in matrix emerge massively, accompanying with this abrupt temperature increase. These phenomena are considered as transition of deformation mechanism from thermal regime to athermal regime. At low amplitudes, few PSBs or surface roughness are still observed on the specimen surface. Through the cycles of PSB appearance on armco-iron, it’s found that PSBs are inclined to appear before 1x10(7)cycles, and PSB threshold lies below the conventional fatigue limit. The increase of pearlite phase content weakens the temperature elevation, and strengthens the fatigue properties. The presence of free interstitial atoms in steels results in appearence of a secondary temperature increase in the stabilized temperature part (100-200 degree). This behavior seems to be related to the interaction of edge dislocations with free interstitial atoms. Moreover, the remarkable hardening-softening-hardening phenomenon after the sudden temperature elevation to above 300 degree is thought as the interaction of multiplicated screw dislocations and free interstitial atoms

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Refai, Khalil. "Effet de la méso-architecture sur le comportement en fatigue des structures lattices optimisées obtenues par fabrication additive." Thesis, Paris, HESAM, 2020. http://www.theses.fr/2020HESAE028.

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Une approche numérique est proposée pour évaluer la résistance en fatigue à grand nombre de cycles des structures cellulaires périodiques produites par SLM sous des chargements multiaxiaux. Le modèle est basé sur un schéma général d'homogénéisation numérique et une description explicite de la cellule élémentaire combinée à une analyse des valeurs extrêmes utilisant un paramètre indicateur de fatigue basé sur le critère de Crossland. De plus, l'écart géométrique et la rugosité de surface sont caractérisés expérimentalement et prisent en compte dans le modèle numérique en utilisant trois méthodes qui sont comparées à la résistance en fatigue expérimentale. L'optimisation topologique (OT) repousse encore plus loin les limites de la liberté de conception. Dans notre étude, l'OT a été développée pour prévenir les défaillances dues à la fatigue en utilisant la méthode SIMP reformulée dans le cadre mathématique des fonctions NURBS (Non-Uniform Rational BSpline)
A numerical approach is proposed to assess the high cycle fatigue strength of periodic cellular structures produced by SLM under multiaxial loads. The model is based on a general numerical homogenisation scheme and an explicit description of the Elementary Cell combined to an extreme values analysis making use of a fatigue indicator parameter based on Crossland’s criterion. Also, geometric discrepancy and surface roughness are experimentally characterised and considered in the numerical model using three methods which are compared to the experimental fatigue strength. Topology optimisation (TO) pushes the boundaries of design freedom even further. In our study, Topology Optimisation was developed to prevent fatigue failure using SIMP method revisited and reformulated within the mathematical framework of Non-Uniform Rational BSpline functions

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Louge, Julien. "Apports des mesures d’auto-échauffement pour l’étude de la fatigue des aciers : effets d’histoire et cisaillement pur." Thesis, Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne, 2019. http://www.theses.fr/2019ENTA0001.

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Dans l’industrie automobile, les aciers laminés sont largement utilisés pour réaliser les pièces constitutives d’un véhicule. Les propriétés en fatigue à grand nombre de cycles de ces produits plats sont généralement déterminées sur le matériau dans son état tel que sortie d’usine (i.e., vierge de toute sollicitation) sous chargements cycliques uniaxiaux à amplitude constante. Cependant, la fabrication de pièce structurelle fait généralement intervenir des étapes de mise en forme qui ont pour conséquence de modifier l’état du matériau et donc d’impacter les propriétés en fatigue. D’autre part, les chargements en service réellement subi par une telle pièce sont souvent multiaxiaux et d’amplitude variable dans le temps. Cette étude a pour but de prendre compte les notions de multiaxialité et d’effets d’histoire de chargement lors de la caractérisation en fatigue par le biais de mesures d’auto-échauffement sous chargements cycliques. La caractérisation en fatigue multiaxiale fait généralement intervenir un critère de fatigue nécessitant la connaissance de la limite d’endurance du matériau sous sollicitation de cisaillement. Comme cette grandeur est difficile à obtenir pour le cas des produits plats, un nouvel essai de cisaillement et deux géométries d’éprouvette en forme de disque sont proposés, permettant d’utiliser des mesures d’auto-échauffement. Ainsi, la limite d’endurance sous sollicitation de cisaillement a pu être déterminée. Dans le but d’étudier l’impact des effets d’histoire sur les propriétés en fatigue, différents essais d’auto-échauffement ont été réalisés en considérant différents niveaux de pré-déformation plastique initial, différents pré-chargements cycliques et différents rapports de charge. Les résultats obtenus ont permis de proposer un modèle probabiliste à deux échelles permettant d’une part de décrire l’évolution des courbes d’auto-échauffement quel que soit l’effet d’histoire étudié et, d’autre part, de donner une bonne estimation de l’influence de ces effets sur les courbes S-N-P
In the automotive industry, rolled steels are widely used to produce constituent parts of a car. The high cycles fatigue properties of these flat steel are usually determined in a virgin state of the material (i.e., without preliminary loading) under uniaxial cyclic loading with a constant stress amplitude. However, production of structural parts mostly involves some forming processes that have for consequence to modify the material state and thus to impact the fatigue properties. Furthermore, operational loads condition actually incurred by such a part is often multiaxial and with variable amplitude. The aim of this study is to take into account multiaxial and load history aspects in the fatigue characterization by means of self-heating measurements under cyclic loading. Multiaxial fatigue characterization usually involves a fatigue criterion that required the endurance limit of the material under a shear loading. But this limit is difficult to obtain for flat steel. That why a new shear test and two new disk-shaped specimens were proposed, permitting the use of self-heating measurements. Thus, the endurance limit of the material under a shear loading was determined. In order to study the impact of load history effects on fatigue properties, various self-heating tests were performed considering several initial pre-straining levels, several cyclic pre-loading and several load ratios. From these results, a new probabilistic two-scale model was proposed capable of describes selfheating curves with any load history considered and provides a reliable estimation of these load history effects on S-N-P curves

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Dissertations / Theses on the topic 'Fatigue à grand nombre de cycles (HCF)'

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