Influence de la fréquence de chargement sur la résistance à l'amorçage et la croissance des fissures de fatigue dans des aciers utilisés dans des applications mécaniques exigeantes

Influence of cycling frequency on fatigue strength and crack growth of engineering steels for demanding applications

• Auteur / Autrice : Mohand Ouramdane Ouarabi
• Direction : Olivier Polit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 25/05/2018
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Catherine Mabru
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Polit, Catherine Mabru, Thilo Morgeneyer, Jean-Yves Buffière, Thierry Palin-Luc, Bastien Weber, Danièle Wagner, Jens Bergström
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thilo Morgeneyer, Jean-Yves Buffière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réponse en fréquence

Fissuration

Acier

Acier -- Fatigue

Mots clés libres

Effet de la fréquence

Ultrasonique

Propagation de fissure

Aciers plats

Amorçage

Fatigue gigacyclique

Frequency effect

Ultrasonic

Steel sheet

Fatigue crack growth

Initiation

Gigacyclique fatigue

Résumé

Les essais de fatigue peuvent être effectués dans une gamme de fréquences similaire, mais les fréquences les plus élevés sont généralement préférables afin de réduire le temps de test et d'obtenir des résultats dans une période raisonnable. La question reste à savoir si un effet de fréquence existe. Cette étude traite de l'effet de la fréquence de chargement sur la résistance à l'amorçage et à la propagation des fissures sur 3 matériaux (M800HY, CP1000 et DP1180) utilisés dans le domaine automobile. Deux rapports de charge (R=-1 et 0.1) et cinq fréquences de chargement (25 Hz, 30 Hz, 150 Hz et 20 kHz) ont été étudiés. Tout d'abord, nous avons réalisé des calculs par élément finis en dynamique pour dimensionner les éprouvettes et calculer l'étendue du facteur d'intensité de contrainte durant la propagation de la fissure de fatigue. Ensuite, nous avons réalisé des essais d'amorçage et de propagation. Indépendamment de la fréquence de chargement,l'amorçage de la fissure de fatigue est toujours surfacique à cause des concentrations de contraintes dues au processus de laminage ou de l'électro-galvanisation. L'observation des faciès de rupture sur éprouvettes testées à 30 Hz et 20 kHz montre que le mode de propagation est transgranulaire avec quelques localisations de rupture intergranulaire ou par clivage sur la nuance DP1180. Les stries de propagations sont présentes sur les faciès d'éprouvettes M800HY et absentes sur les faciès des deux autres nuances. La nuance DP1180 présente une meilleure résistance à l'amorçage et à la propagation de la fissure de fatigue. Concernant l'effet de la fréquence de chargement, globalement l'amorçage de la fissure de fatigue est dépendante de la fréquence de chargement, par contre, la propagation est indépendante de la fréquence.

Fatigue tests can be performed in a similar frequency range, but the higherfrequencies are generally preferable to reduce the test time and obtain results within areasonable time. The question remains whether a frequency effect exists. This study dealswith the effect of the loading frequency on fatigue strength and crack growth of 3 steels(M800HY, CP1000 and DP1180) used in automotive industry. Two load ratios (R = -1 and0.1) and five load frequencies (25 Hz, 30 Hz, 150 Hz and 20 kHz) were studied. First, weperformed dynamics finite element method to calculate the dimensions of the specimens(to vibrate with a resonance at 20 kHz), and, the stress intensity range as a function of the length of crack. Then, we have done some test on fatigue crack initiation and propagation. Whatever the loading frequency, the initiation of the fatigue crack is always on the surfacebecause of the stress concentrations due to the rolling process or the electro-galvanization.The observation with SEM of fracture surface of the specimens tested at 30 Hz and 20 kHzshows that the mode of propagation is transgranular with some locations of intergranularfailure or by cleavage on DP1180 grade. The fatigue striation on fracture surface arepresent on the M800HY and absent on the other two materials. The grade DP1180 has abetter resistance to the initiation and propagation of the crack. Regarding the effect ofloading frequency, overall the initiation of the fatigue crack is dependent on the loadingfrequency, however, the propagation is independent of the loading frequency.