Fissuration par fatigue en mode mixte I+II+III non proportionnel dans l'acier 316L : approche expérimentale et modélisation des effets de la plasticité

Fatigue crack growth in mixed mode I+III+III non proportionnal loading conditions in a 316 stainless steel : analyses of the effects of crack tip plasticity

• Auteur / Autrice : Flavien Frémy
• Direction : Sylvie Pommier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 03/05/2012
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Leblond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Morel, Erwan Galenne, Philippe Gilles, Stéphan Courtin, Jean-Christophe Le Roux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Doquet, Anthony Gravouil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier

Acier

Acier -- Fatigue

Mots clés libres

Mode mixte

Plasticité

Non-linéaire

Fissuration

Fatigue

Mixed mode

Plasticity

Non-linear

Fatigue crack growth

Résumé

Cette thèse porte sur la fissuration par fatigue sous chargement variable en mode mixte I+II+III et sur les effets d'histoire induits par la plasticité confinée et les contraintes internes. Les essais réalisés montrent qu’il existe des effets antagonistes d’histoire du chargement à courte distance et à longue distance, que la forme de la séquence de chargement est cruciale et, par comparaison, que les effets de contact et de frottement sont d’importance moindre. Les contraintes internes jouent un rôle majeur sur la vitesse de fissuration par fatigue et sur le mode de fissuration. Une démarche a été mise en place pour étudier le comportement élasto-plastique d’une section représentative du front de la fissure par éléments finis. Pour ne retenir des calculs réalisés que le minimum d’information nécessaire, on se donne une approximation cinématique, le champ de vitesse est partitionné en composantes de modes I, II, III élastiques et plastiques, chaque composante étant caractérisée par un facteur d’intensité et une distribution spatiale fixe. Les calculs réalisés ont permis de sélectionner 7 trajets de chargement différents en mode I+II et en mode I+II+III, qui présentent les mêmes amplitudes pour chaque mode, les mêmes maxima, minima et valeurs moyennes. Ces trajets, censés être équivalents au sens des critères de rupture usuels, ne le sont pourtant pas lorsqu’on considère le comportement élasto-plastique du matériau et conduisent à des vitesses et des trajets de fissuration expérimentaux très différents les uns des autres. Les simulations numériques et la modélisation simplifiée sont en accord avec les résultats expérimentaux. Les calculs réalisés ont également permis de discuter le rôle des phases de chargement en mode III sur la fissuration. Le comportement du matériau étant non-linéaire, la direction du chargement nominal ne coïncide pas nécessairement avec celle de l’écoulement plastique. Ajouter une phase de chargement en mode III peut, dans certains cas, modifier très significativement le comportement de la fissure (direction de propagation, vitesse de fissuration, écoulement plastique).

This thesis deals with fatigue crack growth in non-proportional variable amplitude mixed mode I + II + III loading conditions and analyses the effects of internal stresses stemming from the confinement of the plastic zone in small scale yielding conditions. The tests showed that there are antagonistic long-distance and short-distance effects of the loading history on fatigue crack growth. The shape of loading path, and not only the maximum and minimum values in this path, is crucial and, by comparison, the effects of contact and friction are of lesser importance. Internal stresses play a major role on the fatigue crack growth rate and on the crack path. An approach was developed to analyze the elastic-plastic behavior of a representative section of the crack front using the FEA. A model reduction technic is used to extract the relevant information from the FE results. To do so, the velocity field is partitioned into mode I, II, III elastic and plastic components, each component being characterized by an intensity factor and a fixed spatial distribution. The calculations were used to select seven loading paths in I + II and I + II + III mixed mode conditions, which all have the same amplitudes for each mode, the same maximum, minimum and average values. These paths are supposed to be equivalent in the sense of common failure criteria, but differ significantly when the elastic-plastic behavior of the material is accounted for. The results of finite element simulations and of simulations using a simplified model proposed in this thesis are both in agreement with experimental results. The approach was also used to discuss the role of mode III loading steps. Since the material behavior is nonlinear, the nominal loading direction does not coïncide with the plastic flow direction. Adding a mode III loading step in a mode I+II fatigue cycle, may, in some cases, significantly modify the behaviour of the crack (crack growth rate, crack path and plasti flow).