Thèse soutenue

Fatigue d'aciers inoxydables austénitiques traités par grenaillage ultrasonore sévère : contributions expérimentales et numériques à l'étude de l'amorçage et la propagation des fissures

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Auteur / Autrice : Clément Dureau
Direction : Thierry GrosdidierMandana Arzaghi
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Science des matériaux
Date : Soutenance le 28/04/2022
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
Jury : Président / Présidente : Sara Bagherifard
Examinateurs / Examinatrices : Thierry Grosdidier, Mandana Arzaghi, Véronique Doquet, Delphine Retraint, Laurent Barrallier, Roxane Arruffat-Massion, Yves Nadot
Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Doquet, Delphine Retraint

Résumé

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Dans le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles, les fissures s'initient le plus souvent à la surface des pièces. Par conséquent, en plus des propriétés mécaniques globales, les caractéristiques de la surface et de la sous-couche, telles que la rugosité et les contraintes résiduelles affectent la durée de vie en fatigue. La rugosité a essentiellement une influence sur la phase d'amorçage des fissures. En effet, la présence d'irrégularités de surface entraine des concentrations de contraintes qui peuvent produire de fortes déformations locales et éventuellement entrainer la formation de défauts de type fissures. Par ailleurs, la présence de contraintes résiduelles affecte à la fois la phase d'amorçage et de propagation des fissures. Elles affectent la plasticité proche de la surface et influencent donc l'amorçage des fissures. De plus, en se superposant au chargement mécanique macroscopique, elles modifient localement le niveau de sollicitation et peuvent donc affecter la propagation des fissures.Le grenaillage ultrasonore (SMAT) est un traitement mécanique de surface qui consiste à bombarder un échantillon avec des billes mises en mouvement par un dispositif atteignant des fréquences de vibration de 20 kHz. Les impacts répétés entrainent une déformation plastique de la surface menant au développement de contraintes résiduelles de compression ainsi qu'un gradient de microstructure caractérisé par des zones très déformées en sous couche et des tailles de grains submicroniques en surface. Un tel traitement a été réalisé sur des aciers inoxydables austénitiques afin d'étudier l'amorçage et la propagation de fissures de fatigue dans le champ complexe de microstructure et de contraintes résiduelles induit par le SMAT.Des essais en fatigue uniaxiale à grand nombre de cycles ont été conduits à deux rapports de charge différents (en traction-compression à RTC=-1 et en traction-traction à RTT=0,1). Ils ont permis de mettre en évidence un effet variable du SMAT en fonction de la condition de chargement cyclique. En effet, pour RTC une amélioration de la limite de fatigue a été mesurée alors que pour RTT c'est un abattement de la limite de fatigue qui a été constaté. Dans le but d'expliquer cette différence, une étude approfondie des éprouvettes rompues et non-rompues de l'état initial et SMAT, a été menée. Il s'est avéré que dans les conditions de chargement étudiées, les redistributions des contraintes résiduelles peuvent être considérées comme le facteur principal permettant d'expliquer les performances variables en fatigue ainsi que les amorçages observé aux différents sites d'initiation. En considérant les contraintes résiduelles de surface stabilisées après chargement en fatigue, l'utilisation d'un critère de Crossland a permis d'expliquer à la fois l'effet du rapport de charge et du SMAT sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles des aciers inoxydables.Une modélisation des gradients de propriétés mécaniques et de contraintes résiduelles caractéristiques du SMAT par la méthode des éléments finis a été proposée (via ABAQUS) dans le but de comprendre et de prédire les relaxations de contraintes résiduelles. Les résultats des simulations ont été confrontés aux données obtenues expérimentalement et un très bon accord a été obtenu. La capacité du modèle à rendre compte du comportement en fatigue à faible et à grand nombre de cycles a été évaluée, et une cohérence très correcte a été obtenue entre les résultats numériques et expérimentaux.Des éprouvettes pourvues d'un défaut artificiel surfacique ont ensuite été préparées afin d'évaluer la sensibilité à la présence d'accidents géométriques, mais aussi pour suivre la propagation des fissures de fatigue par la méthode des répliques. Il a été démontré que les éprouvettes SMAT ne présentent pas une sensibilité exacerbée à la présence de défauts par rapport à l'état initial pour RTT, alors qu'à RTC une sensibilité légèrement accrue a été mesurée. [...]