Etude des interactions défaut géométrique / microstructure dans les mécanismes d’endommagement en fatigue à grand nombre de cycles d’alliages métalliques

Study of the interactions between geometrical defects and microstructure in the high-cycle fatigue behavior of polycristalline aggregates

• Auteur / Autrice : Benoît Bracquart
• Direction : Franck Morel, Pierre Frère, Charles Mareau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/07/2018
• Etablissement(s) : Angers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : 2 - 4 - Moltech Anjou (Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers) - Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers / MOLTECH-ANJOU - Laboratoire LAMPA (Laboratoire Arts et Métiers ParisTech d’Angers)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Berbenni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pablo Lorenzino, Nicolas Saintier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Aubin, Cédric Doudard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Fatigue à grand nombre de cycles

Défaut

Microstructure

Aluminium

Agrégat polycristallin

Plasticité cristalline

High cycle fatigue

Defect

Microstructure

Aluminium

Polycrystalline aggregate

Crystal plasticity

Résumé

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.