Étude des effets de fermeture des fissures de fatigue sous chargement à rapport de charge négatif

Study of Fatigue Crack Closure under Negative Load Ratio Loading

• Auteur / Autrice : Théotime Asselin Cosson
• Direction : Gilbert Hénaff, Olivier Ancelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Framatome
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Pommier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valéry Valle, Franck Morel, Sam Cuvilliez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Doquet, Jean-Yves Buffière
• DOI : 10.70675/4f2e9445za36cz410ezbce0z19533648f5fe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier -- Fatigue

Déformations (mécanique)

Méthode des éléments finis

Essais dynamiques

Matériaux -- Fissuration

Plasticité

Mécanique de la rupture

Mots clés libres

Fatigue oligocyclique

Effets de fermeture

Correlation d'images

Intégrale J

Acier inoxydable austénitique 304L

Acier faiblement allié 18MND5

Low cycle fatigue

Crack closure

Digital image correlation

J integral

304L austenitic stainless steel

18MND5 low alloy steel

Résumé

La fatigue est avec la corrosion sous contrainte le principal moteur des dégradations observées sur les composants du parc nucléaire français. Les chargements induisant de la fatigue oligocyclique dans les composants primaires sont d’origine thermique et peuvent être à rapport de charge négatif. La justification des composants vis-à-vis de la propagation de fissure en fatigue est actuellement effectuée de manière pénalisante, sans prise en compte du sillage plastique. Des travaux de R&D sont donc requis pour améliorer les modèles de propagation en fatigue pour des chargements variables. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux présentés dans ce mémoire, avec une attention particulière portée aux effets de fermeture de fissure qui sont précisément à même de rendre compte des effets d’histoire. A cet effet, une campagne d’essais de référence à rapport de charge positif est d’abord mise en œuvre sur éprouvettes normalisées. Des essais de fissuration pilotés en déformation totale ont ensuite été conduits sur éprouvettes uniaxiales contenant un défaut initial. Un dispositif expérimental original utilisant les techniques de H-DIC (DIC enrichie en mécanique de la rupture) et le suivi de la différence de potentiel électrique permet de suivre la propagation de la fissure tout en évaluant les taux d’ouverture de fissure. Il est montré que pour les deux matériaux de l’étude les taux d’ouverture varient en fonction du niveau de sollicitation appliquée et du rapport de charge, et dans une moindre mesure de la profondeur de fissure. Une méthode couplant les résultats expérimentaux avec un modèle éléments finis développé sous Cast3M permet de définir des forces motrices fondées respectivement sur le facteur d’intensité de déformation et l’intégrale J. L’évaluation des forces motrices montrent l’importance de la prise en compte des effets de fermeture afin d’obtenir une loi de propagation réaliste pour les deux matériaux de l’étude. Une loi de propagation fondée sur l’intégrale Jeff est obtenue pour les deux matériaux et permet de s’affranchir de la dépendance au rapport de charge, niveau de déformation dans l’analyse de la propagation de fissure.

Fatigue, along with stress corrosion is the main cause of degradation observed in the components of French nuclear power plants. The justification of components regarding fatigue crack propagation is currently considered in a penalising way without taking into account the loading history. The study of fatigue closure effects makes it possible to determine driving forces representative of crack propagation. Loads inducing low cycle fatigue in primary components are of thermal origin. A campaign of reference tests on standardised specimens was first carried out before controlled total deformation tests on uniaxial specimens. An experimental set-up using Heaviside-DIC and electrical potential difference monitoring techniques was used to monitor crack propagation while evaluating crack opening rates at the surface and averaged over the specimen. It is shown that for the two materials studied, crack opening rates vary as a function of the level of stress applied, the load ratio and, to a lesser extent the crack depth. The combination of experimental results and the development of finite-element models makes it possible to define and evaluate driving forces based on deformation intensity factors and the J integral. A new crack propagation driving force calculation method adapted to cases of confined plasticity at the crack tip and to cases of generalised plasticity has been defined, making it possible to obtain a unified propagation law for each material that does not depend on the load ratio or the stress level.