Effet des hétérogénéités microstructurales sur le comportement en fatigue multiaxiale à grand nombre de cycles : application à l'usinage assisté laser

Role of microstructural heterogeneities in multiaxial high cycle fatigue : application to laser assisted machining

• Auteur / Autrice : Huyen Nguyen Thi Thu
• Direction : Franck Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École nationale supérieure d'arts et métiers (Angers)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue -- Machines d'essai

Usinage par laser

Résumé

Cette étude vise à modéliser les mécanismes d’endommagement sous chargements multiaxiaux en Fatigue à Grand Nombre de Cycles (FGNC). Le rôle des hétérogénéités microstructurales introduites en particulier par le procédé d’Usinage Assisté Laser fait l’objet d’une attention particulière. On propose de tenir compte de l’aspect dispersé des données en fatigue à l’aide d’une approche de type plan critique et d’un modèle à deux échelles. Plus précisément, une approche probabiliste de type Weibull est d’abord introduite pour prendre en compte le rôle des hétérogénéités microstructurales sur le comportement en fatigue à l’échelle macroscopique. Une deuxième partie de l’étude concerne l’utilisation d’un modèle de couplage plasticité - endommagement à l’échelle mésoscopique afin de refléter les effets de cumul d’endommagement observés en FGNC. Les prédictions des deux approches sont confrontées à des données expérimentales relatives à des chargements complexes (traction biaxiale, traction-torsion hors phase, asynchrone ou encore chargement d’amplitude variable). On montre un très bon comportement d’ensemble ainsi que la possibilité d’associer les deux modélisations pour obtenir une loi d’endommagement probabiliste dont une application directe est l’obtention de courbes P-S-N (Probabilité-Contrainte-Nombre de cycles) pour n’importe quel type de chargement. La dernière partie du travail est consacrée à l’étude de l’interaction entre un procédé d’usinage par assistance Laser (UAL) et la tenue en fatigue des composants métalliques obtenus (acier et alliage de titane). Le rôle des caractéristiques d’intégrité de surface (la microstructure, l’écrouissage, les contraintes résiduelles, l’état de surface…) sur l’endommagement en fatigue est particulièrement analysé.

The purpose of this work is to modelize the damage mechanisms in multiaxial high cycle fatigue (HCF). The role of microstructural heterogeneities, and in particular those introduced via the manufacturing process of Laser Assisted Machining (LAM), is given particular attention. Firstly, in order to take into account the dispersion observed in fatigue data, a critical plane approach and a two scale model are proposed. More precisely, a Weibull type probabilistic approach is introduced in order to take into account the role of the microstructural heterogeneities on the fatigue behaviour at the macroscopic scale. The second part of the study concerns the use of a fatigue model in which plasticity and damage are coupled at the mesoscopic scale in order to reflect the effect of damage accumulation observed in HCF. The predictions from the two different approaches have been compared to experimental results for complex loading conditions (e. G. Out-of-phase tensile-torsional loads, biaxial tensile loads, asynchronous or variable amplitude loads). It is shown that very good agreement is achieved and that it is possible to associate the two modelling approaches to obtain a probabilistic damage law for which a direct application is the creation of P-S-N curves (i. E. Probabilistic-Stress-Life curves) for any type of loading condition. The final part of this work is a study of the interaction between the LAM manufacturing process and the fatigue resistance of metallic components (i. E. Steel and titanium alloys) made via this process. The role of the surface integrity (i. E. The microstructure, hardening, residual stress, surface roughness, etc) on fatigue damage is particularly investigated.