Développement de modèles pour la croissance de fissures courtes dans des matériaux métalliques soumises à des chargements de longue durée et d'environnements opérationnels

Development of the model for short crack growth in metallic materials under long-term loading and operating environments

• Auteur / Autrice : Nataliya Yadzhak
• Direction : Yuri Lapusta, Oleksandr Andreykiv
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...) en cotutelle avec Lʹvìvsʹkij nacìonalʹnij unìversitet ìmenì Ìvana Franka (Ukraine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Werner Wagner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Octavian Pop, Yuriy Tokovyy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olesia Maksymovych, Heorhiy Sulym

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Fatigue sous corrosion

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Chargement cyclique

Déplacement de l’ouverture de la pointe de la fissure

Durée de vie

Environnement corrosif

Facteur d’intensité de contrainte

Fatigue

Fissure courte

Fissure petite

Matériau métallique

Mécanique de rupture

Mode I

Mode II

Mode III

Modèle mathématique

Propagation de fissure

Corrosive environment

Crack propagation

Crack tip opening displacement

Cyclic loading

Fatigue

Fracture mechanics

Lifetime

Mathematical model

Metallic material

Mode I

Mode II

Mode III

Short crack

Small crack

Stress intensity factor

Résumé

La modélisation de la propagation des fissures courtes est un sujet important pour un large éventail de processus scientifiques et industriels, puisque les fissures courtes sont présentes dans les éléments structurels dès les premiers stades de leur exploitation. Cette thèse présente une étude sur la modélisation mathématique de la propagation de fissures courtes et petites de fatigue dans des éléments structurels métalliques soumis à des charges de fatigue et à des environnements corrosifs. L’étude considère les problèmes suivants de propagation de fissures courtes et petites : fissures de fatigue et de corrosion-fatigue de mode I dans les plaques minces ; fissures de mode II, de mode III et de mode mixte II+III dans les plaques épaisses, ainsi que fissures superficielles planes de mode I, de mode II et de mode III dans les corps tridimensionnels. Les modèles mathématiques proposés dans cette thèse sont construits à partir des paramètres de déformation des déplacements d’ouverture de la pointe de la fissure et sont basés sur l’approche énergétique, les fonctions harmoniques et la méthode généralisée des surfaces équivalentes. L’application de la méthode de l’état de contrainte équivalente a permis de déduire les formules pour la détermination des déplacements d’ouverture de la pointe de la fissure pour les combinaisons mentionnées de géométrie et des conditions de chargement, ainsi que la prise en compte du niveau de charge relatif d’une plaque. La recherche a montré que le déplacement d’ouverture de la pointe de la fissure, contrairement au facteur d’intensité de la contrainte, est une caractéristique invariable pour la détermination du taux de propagation des fissures courtes de fatigue et de fatigue par corrosion. Les solutions aux problèmes considérés obtenues par les modèles proposés ont été comparées aux résultats numériques et aux données expérimentales publiées. La comparaison indique une grande précision des modèles mathématiques développés pour décrire la propagation des fissures à partir des fissures courtes jusqu’à la fracture finale.

Modelling of short crack propagation is important for a wide range of scientific and industrial processes, since short cracks are present in structural elements already on early stages of their exploitation. This thesis provides a study on mathematical modeling of short and small fatigue crack propagation in metallic structural elements subjected to fatigue loading and corrosive environments. The study considers the following problems of short and small crack propagation: mode I fatigue and corrosion-fatigue cracks in thin plates; mode II, mode III and mixed mode II+III cracks in thick plates, as well as mode I, mode II and mode III flat surface cracks in three-dimensional bodies. The mathematical models proposed in this study are built in strain parameters of crack tip opening displacements and are based on the energy approach, harmonic functions and the generalized equivalent area method. Application of the equivalent stressed state method helped to derive the formulas for determination of the crack tip opening displacements for the mentioned combinations of geometry and loading conditions and take into account the relative load level of a plate. The research has demonstrated that the deformational parameter of crack tip opening displacement, contrary to stress intensity factor, is an invariant characteristic for determination of short fatigue and corrosion fatigue crack growth rate. The solutions of the considered problems obtained by the proposed models were compared to the numerical results and the published experimental data. The comparison indicates high accuracy of the developed mathematical models to describe crack propagation starting from short cracks up to the final fracture.