Développement d'une machine de fatigue gigacyclique en torsion pour les matériaux métalliques à haute résistance

Development of a torsional gigacyclic fatigue machine for high-strength metallic materials

• Auteur / Autrice : Zhaoyi Jiang
• Direction : Olivier Polit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 10/01/2018
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energétique Mécanique Electromagnétisme (Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Palin-Luc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Polit, Thierry Palin-Luc, Emin Bayraktar, Tieying Wu, Johann Petit, Laurent Gallimard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emin Bayraktar, Tieying Wu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Torsion (mécanique)

Métaux -- Rupture

Métaux -- Fatigue

Mots clés libres

Fatigue gigacyclique

Torsion

Système indirect

Haute résistance

Optimisation

Courbe S-N

Gigacyclic Fatigue

Torsion

Indirect system

High strength

Optimization

S-N Curve

Résumé

Ce travail de recherche donc concerne l'étude du système ultrasonique de fatigue en torsion de type indirect pouvoir étudier le comportement des matériaux métalliques à haute résistance, essentiellement au domaine de fatigue gigacyclique. Il existe actuellement deux types de système ultrasonique de torsion : un système qualifié de ''direct'' dans lequel le convertisseur délivre une rotation permettant, de manière simple et directe, la mise en vibration de torsion du système ; un système qualifié de ''indirect'' qui utilise un convertisseur longitudinal et nécessite une transformation en rotation pour créer la vibration en résonance de torsion. Premièrement, la présente d'étude sur le système indirect permet de comprendre son comportement de fatigue et ses propriétés. Cette étude est présentée à partir des calculs analytiques et numériques afin de dimensionner et modéliser ce système. Ensuite, l'optimisation du système à l'aide de la méthode des éléments finis est réalisée et un système plus effectif et plus robuste est obtenu. Des comparaisons entre les résultats numériques et les résultats de calibration sont proposées et une interprétation des écarts constatés est proposée avec les nouvelles simulations numériques. Deuxièmement, une campagne expérimentale à 20 kHz au-delà de 10⁸ cycles est menée en utilisant le système optimisé sur les aciers 16MnCr5 et 50CrV4 du projet FreqTigue. La méthode de l'escalier est utilisé dans les essais afin de décrire la courbe S-N, d'estimer la résistance à la fatigue et d'obtenir la durée de vie en fatigue. Des comparaisons des courbes S-N à différentes fréquences et sollicitations sont présentées. Les surfaces de rupture des éprouvettes sont analysées pour tenter d'identifier les causes de la rupture.

This research work concerns the study of the torsional ultrasonic fatigue system of indirect type which is able to study the behavior of high-strength metallic materials, mainly in the domain of gigacyclic fatigue. With the developments of technique, there are currently two types of ultrasonic torsional system: the first one is described as ''direct'' and its converter delivers a rotation which allows the system vibrate in torsion; the second one is described as ''indirect'', which uses a longitudinal converter and requires the transformation of a translation into a rotation to create a desired torsional resonant vibration in the specimen. Firstly, the study of the indirect system could understand the fatigue behavior and the properties of this system. This study is presented with the analytical and numerical calculations in order to determine and model the indirect system. Then, the optimization of this system by using the finite element method is performed and a more efficient and robust system is developed. Some comparisons between the numerical results and calibration’s results are proposed and an interpretation of differences is proposed by using new numerical simulations. Secondly, the tests of the 16MnCr5 and 50CrV4 steels of the FreqTigue project are carried out at 20 kHz and beyond 10⁸ cycles by using this optimized system. The staircase method is used in the tests to describe the S-N curve, to estimate the fatigue strength and to obtain the fatigue life. Then, the comparisons of the S-N curves at different vibration frequencies and stresses are presented, and the ruptured surfaces of the specimen are also analyzed to identify the causes of the rupture.