Étude exp¨¦rimentale et num¨¦rique de la fatigue gigacyclique dans les polycristaux CFC

Experimental and computational study of fatigue in FCC polycrystals

• Auteur / Autrice : Shaobo Yang
• Direction : Nicolas Ranc, Eric Monteiro
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2015; Soutenance le 20/12/2018
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Fatigue gigacycle

Plasticit¨¦ cristalline

Volume ¨¦l¨¦mentaire repr¨¦sentatif

Dissipation intrins¨¨que

Énergie stock¨¦e

H¨¦t¨¦rog¨¦n¨¦it¨¦ de d¨¦formation plastique

Gigacycle fatigue

Crystal plasticity

Representative volume size

Intrinsic dissipation

Stored energy

Heterogeneity of plastic strain

Résumé

L'objectif de la th¨¨se est d'¨¦tudier le m¨¦canisme de d¨¦formation plastique ¨¤ l¡¯¨¦chelle de la microstructure dans le cas du cuivre pur polycristallin pendant une sollicitation de fatigue gigacyclique c¡¯est-¨¤-dire avec une amplitude de contrainte inf¨¦rieure ¨¤ la limite de fatigue conventionnelle. Dans ce travail, les h¨¦t¨¦rog¨¦n¨¦it¨¦s de d¨¦formation plastique ¨¤ l¡¯¨¦chelle des grains apparaissant en fatigue gigacyclique ont donc ¨¦t¨¦ caract¨¦ris¨¦es et un mod¨¨le de plasticit¨¦ cristalline a ¨¦t¨¦ d¨¦velopp¨¦ au utilisant une loi d¡¯¨¦coulement de type M¨¦ric-Cailletaud (MC) prenant en compte un ¨¦crouissage cin¨¦matique. Une caract¨¦risation de la microstructure, des propri¨¦t¨¦s m¨¦caniques macroscopiques et des tests d'auto-¨¦chauffement sur une machine ¨¤ fatigue ultrasonique ont ¨¦t¨¦ effectu¨¦s pour estimer les param¨¨tres du mod¨¨le MC. Les r¨¦sultats de la simulation montrent que l¡¯¨¦nergie dissip¨¦e et l¡¯¨¦nergie stock¨¦e se stabilisent rapidement c¡¯est-¨¤-dire en moins de 10 cycles. L'¨¦volution de l'¨¦nergie dissip¨¦e et de l¡¯¨¦nergie stock¨¦e stabilis¨¦es au cours d'un cycle en fonction de l¡¯amplitude de contrainte pr¨¦sentent des tendances similaires. L'¨¦nergie stock¨¦e estim¨¦e par un calcul de plasticit¨¦ cristalline est ensuite utilis¨¦e comme indicateur de l'irr¨¦versibilit¨¦ du glissement cyclique afin de pr¨¦dire la dur¨¦e de vie en fatigue gigacycle. Par ailleurs, les grains pr¨¦sentant de la d¨¦formation plastique pour des amplitudes de contrainte faibles ont en grande majorit¨¦ un facteur de Schmid ¨¦lev¨¦. Les r¨¦sultats de calcul de plasticit¨¦ cristalline montrent que le facteur de Schmid permet de pr¨¦dire correctement les sites d¡¯apparition de la plasticit¨¦ cyclique dans le cas des bandes de type II et III.

The objective of the thesis is to investigate the plastic deformation mechanism at the material microstructure scale in the case of polycrystalline pure copper under gigacycle fatigue loading namely for low stress amplitude respect to the conventional fatigue limit. In this PhD, the heterogeneity of the plastic deformation at the grain scale was characterized for low stress amplitude. A crystal plasticity model was involved to study the heterogeneity of plasticity during gigacycle loading. The M¨¦ric-Cailletaud (MC) model with kinematic hardening was employed for pure copper. Microstructure and macroscopic mechanical properties characterizations and self-heating measurements during ultrasonic fatigue tests were carried out to estimate the MC model parameters. The calculation results show that dissipated energy and stored energy during one cycle reach a stabilized evolution for less than 10 cycles. The evolutions of the stabilized intrinsic dissipation energy and stored energy during one cycle according to stress amplitudes have a similar tendency. The stored energy estimated with crystal plasticity simulations is used as an indicator of cyclic slip irreversibility to predict gigacycle fatigue life. Low stress amplitudes, the grains where plasticity occurs correspond usually to a high Schmid factor. Crystal plasticity calculations show that Schmid factor is valid to predict the cyclic slip marking sites of Type II and III.