Etude de propagation d'une fissure sous chargement thermique cyclique induisant un gradient de température dans l'épaisseur

Crack propagation under thermal cycling loading inducing a thermal gradient in the specimen thickness

• Auteur / Autrice : Hoai Nam Le
• Direction : Catherine Gardin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides et matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aéronautique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Simulation par ordinateur

Rupture, Mécanique de la

Contraintes thermiques

Fatigue thermique

Acier inoxydable

Résumé

Cette étude vise à appréhender le phénomène de propagation de fissure par fatigue thermique induisant un gradient de température dans l'épaisseur. Dans un premier temps, un dispositif expérimental original a été mis au point, permettant de soumettre une éprouvette parallélépipédique de 304L à du cyclage thermique entre 350°C et 100°C, en l’absence de chargement mécanique. Deux entailles semi-circulaires (profondeur 0,1mm, de largeur 4mm) ont été usinées. Les essais interrompus réalisés ont permis de caractériser et quantifier la propagation de la fissure existante en surface et à coeur. Dans une deuxième partie, des calculs numériques tridimensionnels ont été effectués sous Abaqus. Une automatisation utilisant Python a permis de simuler la propagation d'une fissure sous cyclage thermique, avec remaillage en front de fissure à chaque pas de calcul. Aucune hypothèse n'a été prise sur la forme de fissure durant la propagation. Une comparaison avec les résultats d'essais montre une très bonne concordance sur l'évolution de la forme du front de fissure ainsi que sur les cinétiques de propagation au bord et à coeur. Une approche analytique a également été développée se basant sur le calcul du facteur d'intensité de contraintes (FIC). Une approche bidimensionnelle a d'abord été mise en place nous permettant de mieux comprendre l'influence de différents paramètres thermiques et géométriques. Enfin, une approche tridimensionnelle, avec une fissure demeurant elliptique pendant la propagation, a abouti à une prédiction de la propagation en largeur et profondeur de la fissure tout à fait comparable à celle obtenue numériquement, mais avec des temps de calcul bien moindres.

This study aims to figure out the crack growth phenomenon by thermal fatigue induced by thermal gradient through thickness of specimen. Firstly, an experimental facility has been developed: a rectangular parallelepiped specimen is subjected to thermal cycling between 350°C and 100°C; the specimen is freed to expand and contract. Two semi-circular notches (0,1mm depth and 4mm length) have been machined on the surface of the specimen. A series of interrupted tests has been carried out to characterize and quantify the crack growth in depth and surface of the pre-existing crack. Next, a three-dimensional crack growth simulation has been implemented in ABAQUS. Automation using Python was used to simulate the propagation of a crack under thermal cycling, with remeshing at crack front after each calculation step. No assumption has been taken on the crack front during the crack propagation. A comparison with test results showed very good agreement on the evolution of crack front shape and on the kinetics of propagation on the edge and the heart of pre-existing crack. An analytical approach was also developed based on the calculation of stress intensity factors (SIC). A two-dimensional approach was first introduced enabling us to better understand the influence of various thermal and geometric parameters. Finally, a three-dimensional approach, with an elliptical assumption crack shape during the propagation, leading to a prediction of crack growth on the surface and in depth which is very similar to that obtained numerically, but with computational time much lower.