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

par Jihed Zghal

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Franck Morel.

Soutenue le 04-02-2016

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire LAMPA (Laboratoire Arts et Métiers ParisTech d’Angers) (laboratoire) et de Laboratoire des Arts et Métiers ParisTech d'Angers - Presence & Innovation (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Coret.

Le jury était composé de Franck Morel, Bastien Weber, Charles Mareau.

Les rapporteurs étaient Damien Halm, Éric Charkaluk.


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    High cycle fatigue behavior of a HC360LA high-strength low-alloy steel : damage, plasticity and associated dissipative phenomena


  • Résumé

    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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