Etude de l'influence de surcharges sur le comportement en fatigue d'aciers soudés par points

Study of the influence of overloads on the behavior in fatigue of steels welded by points

• Auteur / Autrice : Bianzeubé Tikri
• Direction : Jean-Louis Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 09/02/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal
• Jury : Président / Présidente : Abdelhamid Bouchaïr
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelwaheb Amrouche, Luc Gaudiller, Michel Duchet, Sébastien Bergamo, Bastien Weber, Mahamat Barka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelwaheb Amrouche, Luc Gaudiller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Fatigue

Construction en acier soudé

Automobiles -- Conception et construction

Mots clés libres

Fatigue

Points soudés

Surcharge

Concentration de contrainte

Ruine par fatigue

Lois d’endommagement

Prévision de durée de vie

Fatigue

Welded points

Overloading

Stress concentration

Ruin by fatigue

Damage laws

Life cycle forecasting

Résumé

Le travail présenté ici a pour but d’évaluer l’influence de surcharges incidentelles sur le comportement en fatigue de tôles en acier soudées par points et destinées à une application automobile. Une campagne d’essais expérimentale sur éprouvettes a permis d’établir les courbes effort – durée de vie de trois nuances d’acier soudées par point et soumis à des sollicitations de traction-cisaillement soit à amplitude constante (courbe de référence), soit avec des sollicitations incidentelles survenant à raison d’un cycle de surcharge pour 100 cycles appliqués. Les éprouvettes utilisées sont constituées de deux rectangles de tôle assemblés par un point soudé réalisé par un soudage par résistance. Deux rapports de surcharge, 1,4 et 2,3, sont testés et analysés. L’ensemble des cycles de tous les chargements présente le rapport de charge de 0,1 (traction ondulée). Pour deux nuances d’acier, les surcharges périodiques sont bénéfiques à la tenue en fatigue, ils permettent d’augmenter sensiblement la durée de vie. Pour la troisième nuance d’acier en revanche, l’effet enregistré est un affaissement très marqué des propriétés de fatigue. Deux types de ruine par fatigue sont observés, l’un par fissuration des tôles au droit du congé de raccordement du noyau fondu du point soudé sur la tôle, du côté de la zone en traction. L’autre se traduit par un cisaillement du noyau fondu dans le plan de sa section droite minimale et ne se produit qu’à haut niveau d’effort appliqué. Ces calculs par Eléments finis ont mis en évidence des états de contraintes multiaxiaux, principalement de traction et de cisaillement dans les zones expérimentales d’amorçage et de fissuration des éprouvettes. Il est observé de façon très claire une prépondérance de la contrainte de traction là où s’amorce la fissure de fatigue conduisant à la ruine de l’éprouvette par fissuration complète d’une des deux tôles, et une prépondérance tout aussi évidente de la contrainte de cisaillement dans la section minimale du noyau fondu du point soudé où se produit dans certains cas la rupture du point soudé par cisaillement. Les calculs effectués corroborent donc très bien les observations expérimentales. L’utilisation de nouvelles lois d’endommagement basées sur un cumul non linéaire du dommage, dont une qui a été proposée au laboratoire, conduit à une prévision des durées de vie en bon accord avec l’expérimentation alors que la loi de Miner demeure pour sa part très éloignée des résultats expérimentaux.

The objective of this work is to evaluate the influence of incidental overloads on the fatigue behavior of steel plates welded by points and aimed for automobile application. An experimental test campaign on specimens had allowed the establishment of effort curves – life cycle of three types of steel welded by points and subjected to tensile-shear efforts under constant amplitude (reference curve), and with incidental overloads happening once (overloaded cycle) for 100 applied cycles. Specimens used in the test are made of two rectangle plates joined by a welded point and done by resistance welding. Two overloads ratio, 1,4 and 2,3 were tested and analyzed. The overall overloading cycle presents the ratio of 0,1 (undulated tensile effort). For two out of three steel types, the periodicals overloading are benefit in term of fatigue resisting, their life duration has been slightly improved. The third steel type has in contrary showed observable deterioration of fatigue properties.Two types of ruin by fatigue have been observed. The first one shows cracking of plates on the right axle journal fillet of the melted nucleus of the welded point on the plate, in the tensile zone side. The second is showed by a shearing of the melted nucleus in the plan of its minimal right “section” and this happens at a high level of applied effort. Calculation done using Finite Elements method has evidently showed states of multiaxial stresses essentially tensile stress and shearing stress in the experimental areas of starting and cracking of specimens. It is clearly observed a mainly dominant tensile stress where the fatigue cracking starts leading to the ruin of the specimen by the complete cracking of one of the two plates, and also evidently a mainly dominant shearing stress in the minimal section of the melted nucleus of welded point, where in some case the rupture by shearing of the welded point is observed. The calculations done are then in total agreement with the experimental observations. The use of new damage laws, which one has been proposed in the laboratory based on a nonlinear cumulating of damage, leads to a forecasting of life duration in accordance with experimentation while the Miner law results stays far away from the experimental results.