Le travail de cette thèse consiste à établir une modélisation analytique pour prédire la durée de vie des structures fissurées après une phase de réparation par élimination de la singularité de la fissure : technique de perçage ou du meulage. L’approche utilisée dans cette étude stipule que l’ensemble « fissure/trou » peut être modélisé par un défaut semi-elliptique. La prédiction de la durée de vie est basée sur une méthode permettant de déterminer le nombre de cycles correspondant à l’amorçage d’une fissure de fatigue basée sur un couplage des méthodes « e-N » à la théorie des fissures courtes en tenant compte de la sensibilité à l’entaille en fatigue. Trois méthodes différentes sont utilisées pour déterminer et comparer le facteur de concentration de contrainte élastique Kt : la méthode d’Inglis, la méthode de Creager-Paris et la méthode des éléments finis. Le facteur de concentration de contraintes en fatigue Kf est calculé en utilisant une approche analytique qui tient compte de l’effet de la présence d’une fissure courte en fond d’entaille. Les méthodes «e-N » utilisées dans cette étude sont Morrow élastique, Morrow élastoplastique et Smith Watson Topper. La modélisation analytique a été validée dans le cas d’une plaque en alliage d’aluminium 6082 T6, présentant une fissure de fatigue réparée par le perçage d’un trou dont le rayon est égale à : 1, 2.5 ou 3 mm. Par ailleurs, une application industrielle est traitée numériquement en 3D contenant une fissure ayant subi une réparation utilisant la technique de meulage. Il s’agit de la valve d’une centrale thermique soumise à un chargement thermomécanique. Pour tenir compte de l’effet de l’entaille et prédire la durée de vie à l’amorçage après la réparation, nous avons appliqué la méthode «e-N » couplée dont les paramètres ont été obtenus par la méthode des éléments finis. / This thesis is devoted to establishing an analytical modeling to predict the lifetime of the fissured structures after a repair per elimination of the singularity of the crack: technique of drilling or grinding. The approaches used in this paper stipulate that the unit “crack/hole” can be modelled by a semi-elliptic defect. The prediction of determining the number of cycles which correspond to the restart of a fatigue crack is based on a coupling of the methods “e-N” and the theory of the short cracks. We have used three different methods to determine and compare the elastic stress concentration factor Kt, which are the method of Inglis, the method of Creager-Paris and the method of finite element. The stress concentration factor in fatigue Kf is calculated by using an analytical approach which takes account of the effect of the short crack in bottom of notch. The methods «e-N » used in this study are Morrow elastic, Morrow elastoplastic and Smith Watson Topper. Analytical modeling was validated in the case of a plate out of aluminium alloy 6082 T6, presenting a fatigue crack repaired by the drilling of a hole whose radii is equal to: 1,2.5 or 3 mm. In addition, an industrial application is treated numerically in 3D containing a crack which has been repaired by using the technique of grinding. This valve of a thermal plant subjected to a thermomechanical loading. To take account of the notch effect and to predict the lifetime of the valve, we applied the coupled method «e-N » whose parameters were obtained by the finite element method.

L'objectif de ce travail est une contribution à la compréhension des mécanismes de déformation plastique monotone et cyclique d'un acier duplex (50% [Alpha]-50%[Gamma]) en utilisant la microscopie à force atomique comme technique d'investigation. Les analyses après sollicitation monotone valident le potentiel de la technique AFM et imposent une identification minutieuse des lignes de glissement en fonction de leurs morphologies et dimensions, dans les grains de ferrite et d'austénite. En fatigue oligocyclique à faible variation de déformation, en faisant varier la dureté de la ferrite, nous montrons que la réponse macroscopique à la sollicitation cyclique de l'acier duplex hypertrempé résulte de la contribution effective des deux phases, Alpha et Gamma, contrairement à ce qui est proposé dans la littérature. En réalisant des essais de fatigue à variation de déformation élevée et interrompus à différents pourcentages de la durée de vie, les mécanismes d'amorçage de fissure ont pu être proposés. En fonction de la morphologie des îlots d'austénite, de leur répartition et de leur cohérence cristallographique avec la matrice ferritique, certaines extrusions dans l'austénite peuvent générer des zones de haute rugosité dans la ferrite, à la frontière Alpha/Gamma, qui constituent les sites d'amorçage de fissure dans la phase ferritique. De plus, l'interactivité des deux phases est de nouveau démontrée dans le mécanisme de plasticité cyclique par le transfert progressif de la plasticité de la phase austénitique vers la phase ferritique. L'ensemble des résultats propose que la plasticité cyclique des aciers duplex est accommodée progressivement et de manière interactive par les deux phases Alpha et Gamma. De ce fait, la séparation du comportement en fatigue en régimes différents, concept mettant en avant une activité ou passivité de chaque phase selon la déformation imposée, semble être une approche simplifiée ne reflétant pas nécessairement le comportement réel de ce matériau biphasé. / In order to increase the understanding of monotonic and cyclic plastic deformation mechanisms in multiphase alloys, an intensive research task has been carried out on a Duplex Stainless Steels (DSS-50%α-50%γ) using Atomic Force Microscopy (AFM). After monotonic deformation, AFM investigations of the surface reveal that this technique is especially promising for the plasticity studies of DSS. It allows high detailed characterisation of different types of slip lines, depending of their morphology, dimensions and the analysed phase, austenite or ferrite. Concerning the Low Cycle Fatigue behaviour at low strain range, contrary to earlier works, the comparison of the surface topography between two alloys differing by their ferrite hardness (annealed and aged), suggests that the macroscopic cyclic behaviour of the annealed DSS is a consequence of the mutual contribution of the two phases. Performing interrupted fatigue tests at high strain range, High-Rugged (HR) areas were identified in ferritic grains and near the α/γ interfaces. The formation of HR areas is a consequence of the high surface activity (extrusions) in an austenitic neighbour grain, the relative crystallographic “compatibility” between α/γ grains and the phase distribution. In addition, the close interaction between the two phases was still evidenced, this time as a transfer of the plastic activity from austenite to ferrite. It turns out that, taking into account the whole results set obtained in this work, the cyclic plasticity of the duplex stainless steels could be explained like a progressive contribution of the activity in the two phases and their interactions. Therefore, the utilisation of different regimes depending of the deformation levels, supported by the individually activity or passivity of each phase, appears to be a simplified explanation that does not illustrate the real cyclic behaviour of this material.

La course à l'allègement des aéronefs constitue aujourd'hui l'un des enjeux principaux de l'industrie aéronautique. Le remplacement des rivets par des soudures FSW sur les voilures permettrait de gagner jusqu'à 20% de la masse totale de la voilure. Ce travail réalisé en collaboration avec Dassault-Aviation s'inscrit dans le cadre du projet ADSAM (Assemblage de Structures Aéronautiques Métalliques) visant à fabriquer un démonstrateur de caisson de voilure soudé par FSW. Cette étude traite du comportement mécanique en traction monotone quasi-statique et en fatigue oligocyclique (10⁴ à 10⁵ cycles) d'alliages d'aluminium (séries 2000 et 7000) soudés par FSW. L'objectif est d'étudier l'effet des hétérogénéités microstructurales induites par le soudage sur les hétérogénéités de comportement mécanique dans les joints soudés. La corrélation d'images numériques a été utilisée pour définir la réponse mécanique (σnominale - εvraie) dans chacune des zones constituant ces soudures. En complément, des essais sur des mini-éprouvettes prélevées dans l'épaisseur des joints ont permis d'établir le comportement local (σvraie - εvraie) dans chacune des zones du joint. Sous chargement de traction monotone, la rupture des soudures FSW a été observée dans la zone de localisation des déformations anélastiques située aux minima des profils de microdureté. En revanche, les fissures de fatigue ne démarrent pas nécessairement dans ces zones de localisation. Des analyses microscopiques des faciès de rupture ont permis d'identifier deux mécanismes principaux d'amorçage de fissure : (i) rupture ou (ii) décohésion de particules intermétalliques. D'autre part, les essais cycliques montrent une adaptation élastique des matériaux dans les différentes zones du joint (noyau, ZAT et ZATM) après stabilisation autour d'une déformation moyenne non nulle. En terme de durée de vie, les résultats d'essais sur éprouvettes entaillées traitées OAC (représentative de zones critiques sur structure) montrent que le soudage par FSW réduit jusqu'à 50% la tenue en fatigue de ces alliages. L'amorçage des fissures de fatigue est dû aux piqûres créées par le traitement d'OAC. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ouvrent des perspectives intéressantes pour modéliser le comportement mécanique des joints soudés par FSW afin d'estimer leur durée de vie en fatigue oligocyclique.

La course à l'allègement des aéronefs constitue aujourd'hui l'un des enjeux principaux de l'industrie aéronautique. Le remplacement des rivets par des soudures FSW sur les voilures permettrait de gagner jusqu'à 20% de la masse totale de la voilure. Ce travail réalisé en collaboration avec Dassault-Aviation s'inscrit dans le cadre du projet ADSAM (Assemblage de Structures Aéronautiques Métalliques) visant à fabriquer un démonstrateur de caisson de voilure soudé par FSW. Cette étude traite du comportement mécanique en traction monotone quasi-statique et en fatigue oligocyclique (10⁴ à 10⁵ cycles) d'alliages d'aluminium (séries 2000 et 7000) soudés par FSW. L'objectif est d'étudier l'effet des hétérogénéités microstructurales induites par le soudage sur les hétérogénéités de comportement mécanique dans les joints soudés. La corrélation d'images numériques a été utilisée pour définir la réponse mécanique (σnominale – εvraie) dans chacune des zones constituant ces soudures. En complément, des essais sur des mini-éprouvettes prélevées dans l'épaisseur des joints ont permis d'établir le comportement local (σvraie – εvraie) dans chacune des zones du joint. Sous chargement de traction monotone, la rupture des soudures FSW a été observée dans la zone de localisation des déformations anélastiques située aux minima des profils de microdureté. En revanche, les fissures de fatigue ne démarrent pas nécessairement dans ces zones de localisation. Des analyses microscopiques des faciès de rupture ont permis d'identifier deux mécanismes principaux d'amorçage de fissure : (i) rupture ou (ii) décohésion de particules intermétalliques. D'autre part, les essais cycliques montrent une adaptation élastique des matériaux dans les différentes zones du joint (noyau, ZAT et ZATM) après stabilisation autour d'une déformation moyenne non nulle. En terme de durée de vie, les résultats d'essais sur éprouvettes entaillées traitées OAC (représentative de zones critiques sur structure) montrent que le soudage par FSW réduit jusqu'à 50% la tenue en fatigue de ces alliages. L'amorçage des fissures de fatigue est dû aux piqûres créées par le traitement d'OAC. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ouvrent des perspectives intéressantes pour modéliser le comportement mécanique des joints soudés par FSW afin d'estimer leur durée de vie en fatigue oligocyclique. / Mass reduction of aeronautic structures is an important challenge for aeronautic industries. FSW is an efficient joining process to replace rivets : the mass reduction using this welding process could reach 20% for aircraft wings. This work carried out in collaboration with Dassault-Aviation was done in the framework of ADSAM project. The FSW process significantly modifies the microstructure and the local material properties, the overall mechanical response of the joint is largely governed by the response of the different zones of FSW joint. In the present study, the global and local mechanical responses under monotonic quasi-static tension and cyclic tension-tension (R=0.1) in low cycle fatigue regime (10⁴ to 10⁵ cycles) were carried out on FSW joints made of aluminum alloys (2000 and 7000 series). Full field strain measurements were carried out on FSW welded specimens using digital image correlation techniques assuming an iso-stress configuration (σlocal = σnominal ). Additionally tension tests parallel to the welding direction have been performed on micro specimens machined in each representative zone of FSW joints. These tests allow us to determine the local mechanical response (σlocal − εlocal) of the joint. Local mechanical properties were determined for each representative weld zone (nugget, TMAZ and HAZ). The full field anelastic strain localization scenario prior to fracture shows a good correlation with the microhardness profile along the FSW joints. Under monotonic loading, fracture was observed at the strain localization zones unlike under cyclic loading. In fatigue, the fracture zones are very dispersed for each weld configuration. SEM observations led to the identification of two crack initiation mechanisms:(i) fracture of intermetallic particles or (ii) decohesion between intermetallic particles and the matrix. Digital image correlation under cyclic loading shows an elastic shakedown of the studied materials in each zone of the joint around a non null mean strain. In terms of number of cycles to failure, fatigue test results on ACO treated notched specimens (representative of structure critical locations) show that the FSW process reduce up to 50% the faigue life of the base materials. The crack initiation was associated to ACO pits. The results of this study open interesting prospects for modelling the mechanical behavior of FSW joints and to assess their fatigue life.

Les méthodes de calcul en fatigue à grande durée de vie sont en cours de développement depuis des décennies et sont utilisées par les ingénieurs pour dimensionner les structures. Généralement, ces méthodes se basent sur la mise en équations de quantités mécaniques calculées à l'échelle macroscopique ou mésoscopique. Les critères de fatigue multiaxiale reposent généralement sur des hypothèses de changement d'échelle dont l'objectif est d'accéder à l'état de contraintes ou de déformations à l'échelle du grain. Dans les approches de type plan critique (Dang Van, Papadopoulos, Morel), l'amorçage d'une fissure de fatigue est considéré comme piloté par une quantité mécanique liée à une orientation matérielle particulière (plan critique). Si ces phénomènes sont bien établis dans le cas des chargements uniaxiaux, la nature des mécanismes liés à l'activation des systèmes de glissement, à la multiplicité du glissement et aux différents sites préférentiels d'amorçage de fissures sous chargements complexes reste peu connue.Afin de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement en fatigue multiaxiale, les techniques d'analyse et de caractérisation de l'activité plastique (activation des systèmes de glissements, bandes de glissement persistantes) et d'observation de l'endommagement par fatigue ont été mises en place en se basant principalement sur des observations MEB et analyses EBSD. Ces investigations ont permis de mettre en lumière les effets des chargements non proportionnels sur la multiplicité du glissement sur du cuivre pur OFHC. L'étude statistique des sites préférentiels d'amorçage de fissures montre que les grains à glissement multiple présentent une forte probabilité d'amorçage de fissures, surtout sous les chargements non proportionnels. Nous avons également mis en évidence le rôle des joints de grains et des joints de macle sur le développement de la plasticité à l'échelle de la microstructure. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux du calcul éléments finis (EF) en plasticité polycristalline sur des microstructures synthétiques 3D semi-périodiques. L'application du critère de Dang Van à l'échelle mésoscopique (le grain) montre une forte variabilité de la contrainte hydrostatique et du cisaillement. Cette variabilité est plus importante pour un modèle de comportement cristallin élastique anisotrope. Le rôle de la plasticité cristalline se révèle secondaire. Ces analyses permettent de remettre en perspective les hypothèses usuelles de changement d'échelle utilisées en fatigue multiaxiale. Enfin, une méthode basée sur la statistique des valeurs extrêmes est proposée pour le dépouillement des calculs EF sur agrégats. Cette analyse a été appliquée sur la contrainte équivalente associée au critère de fatigue de Dang Van pour les calculs d'agrégats polycristallins avec différentes morphologies et orientations des grains. Les effets de la surface libre, du type de chargement et du modèle de comportement mécanique des grains ont été analysés. Les résultats offrent des perspectives intéressantes sur la modélisation de l'amorçage des fissures en fatigue multiaxiale des matériaux et des structures avec une prise en compte de la microstructure.

Ce travail concerne l'étude de la résistance à la fatigue dans le domaine gigacyclique de deux matériaux. Le premier, AS7G06 est utilisé pour la fabrication des carters de turbines pour hélicoptères, le second, l'acier R5, est utilisé pour la fabrication des chaînes pour plates-formes pétrolières. L'alliage d'aluminium AS7G06 moulé utilisé dans les carters de turbines est soumis à un très grand nombre de cycles en raison de la durée d'utilisation et de la vitesse de rotation de la turbine, environ 30.000 tr/min. Les échantillons provenant de vraies pièces ont été testés à température ambiante et à 150 ° C, et sou s trois rapports de charge. La résistance à la fatigue à très grand nombre de cycles au delà du milliard de cycles a été étudié, l'amorçage des fissures est systématiquement dues aux retassures. L'acier R5, selon la dénomination internationale des Sociétés de la Classification Internationale des Systèmes Offshore est un acier faiblement allié. Cet acier à haute résistance est habituellement utilisé pour la fabrication de chaînes d'amarrage pour les plates-formes pétrolières offshore dans la Mer du Nord. Cet acier possède une haute résistance, et une bonne résistance à la corrosion. Les chaînes sont conçues pour 30 ans, et sont chargées à basse fréquence (~ 0,5 Hz) en raison des vagues dans en mer ; ceci représente plus de 108 cycles. Les échantillons provenant de chaînes en acier R5 ont été testés en fatigue à des rapports R différents, sous trois conditions différentes : éprouvettes vierges dans l'air ou pré-corrodées en brouillard salin puis cyclées à l'air ou bien éprouvettes cyclées in situ dans l'eau de mer synthétique. La résistance à la fatigue dans le régime gigacyclique et les causes de l'amorçage des fissures ont été étudiées. En particulier, nous avons cherché à comprendre l'effet des défauts sur la résistance à la fatigue gigacyclique. La rupture en fatigue dans l'alliage AS7G06 est souvent due aux porosités. Pour l'acier R5, des piqûres de corrosion sont souvent la cause de rupture par fatigue. Une modélisation de la durée de la phase de propagation des fissures de fatigue est proposé et montre qu'au delà de 10^7 cycles, la durée de vie est essentiellement majoritairement due à la phase d'amorçage 10des fissures et non a la phase de propagation.

Les alliages d'aluminium utilisés dans les structures aéronautiques (fuselage, voilure) sont soumis à des chargements cycliques, faisant de la fatigue l'un des facteurs dimensionnant. Dans cette thèse, les mécanismes d'amorçage de ces fissures de fatigue – au niveau des particules intermétalliques – et de micropropagation sont étudiés expérimentalement et numériquement sur les alliages 2050-T8 et 7050-T7451. Les analyses des premiers chapitres portent sur la description des particules intermétalliques qui sont les plus susceptibles de donner lieu à une amorce de fissure dans la matrice d'aluminium. Les effets de la nature des particules et de leur taille sont quantifiés. La proximité entre les particules intermétalliques et les pores y est décrite. Cette analyse expérimentale fait intervenir des observations de surface en microscopie électronique à balayage (MEB), ainsi que des caractérisations tridimensionnelles (3D) réalisées à l'aide de la tomographie par rayonnement synchrotron. Dans les chapitres suivants, les analyses traitent de la prévision des chemins de fissuration à l'échelle d'un grain. Elles s'appuient sur des observations expérimentales de surface et des simulations de plasticité cristalline 3D pour comprendre les chemins de fissuration. Un modèle d'endommagement tenant compte de la cristallographie est alors proposé pour simuler la propagation de fissure par éléments finis. / Aluminium alloys used for aerospace structures (wing, fuselage) are subjected to cyclic loading. Fatigue properties of such alloys are therefore taken into account for the design of such parts. In this thesis, initiation mechanisms of fatigue cracks – near intermetallic particles – and micropropagation are studied experimentally and numerically on alloys 2050-T8 and 7050-T7451. In the first chapters, the analysis focuses on intermetallic particles which are most prone to initiate a fatigue crack in the aluminium matrix. The effects of the nature of particles as well as their size are quantified. The proximity between intermetallic particles and pores is described. This experimental analysis use surface observations obtained with a scanning electron microscope (SEM), and three-dimensional (3D) characterizations using synchrotron tomography. In the last chapters, analysis are oriented towards the prediction of crack paths at the grain size. They rely on surface experimental observations and 3D crystal plasticity modelling in order to understand crack paths. A damage model taking into account crystallography is proposed to simulate crack propagation using the finite element method.

Les méthodes de calcul en fatigue à grande durée de vie sont en cours de développement depuis des décennies et sont utilisées par les ingénieurs pour dimensionner les structures. Généralement, ces méthodes se basent sur la mise en équations de quantités mécaniques calculées à l'échelle macroscopique ou mésoscopique. Les critères de fatigue multiaxiale reposent généralement sur des hypothèses de changement d'échelle dont l'objectif est d'accéder à l'état de contraintes ou de déformations à l'échelle du grain. Dans les approches de type plan critique (Dang Van, Papadopoulos, Morel), l'amorçage d'une fissure de fatigue est considéré comme piloté par une quantité mécanique liée à une orientation matérielle particulière (plan critique). Si ces phénomènes sont bien établis dans le cas des chargements uniaxiaux, la nature des mécanismes liés à l'activation des systèmes de glissement, à la multiplicité du glissement et aux différents sites préférentiels d'amorçage de fissures sous chargements complexes reste peu connue.Afin de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement en fatigue multiaxiale, les techniques d'analyse et de caractérisation de l'activité plastique (activation des systèmes de glissements, bandes de glissement persistantes) et d'observation de l'endommagement par fatigue ont été mises en place en se basant principalement sur des observations MEB et analyses EBSD. Ces investigations ont permis de mettre en lumière les effets des chargements non proportionnels sur la multiplicité du glissement sur du cuivre pur OFHC. L'étude statistique des sites préférentiels d'amorçage de fissures montre que les grains à glissement multiple présentent une forte probabilité d'amorçage de fissures, surtout sous les chargements non proportionnels. Nous avons également mis en évidence le rôle des joints de grains et des joints de macle sur le développement de la plasticité à l'échelle de la microstructure. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux du calcul éléments finis (EF) en plasticité polycristalline sur des microstructures synthétiques 3D semi-périodiques. L'application du critère de Dang Van à l'échelle mésoscopique (le grain) montre une forte variabilité de la contrainte hydrostatique et du cisaillement. Cette variabilité est plus importante pour un modèle de comportement cristallin élastique anisotrope. Le rôle de la plasticité cristalline se révèle secondaire. Ces analyses permettent de remettre en perspective les hypothèses usuelles de changement d'échelle utilisées en fatigue multiaxiale. Enfin, une méthode basée sur la statistique des valeurs extrêmes est proposée pour le dépouillement des calculs EF sur agrégats. Cette analyse a été appliquée sur la contrainte équivalente associée au critère de fatigue de Dang Van pour les calculs d'agrégats polycristallins avec différentes morphologies et orientations des grains. Les effets de la surface libre, du type de chargement et du modèle de comportement mécanique des grains ont été analysés. Les résultats offrent des perspectives intéressantes sur la modélisation de l'amorçage des fissures en fatigue multiaxiale des matériaux et des structures avec une prise en compte de la microstructure. / The development of high cycle fatigue (HCF) strength assessment methods has now been running for more than a century, leading to relatively efficient methods for engineers. Generally, these methods are based on mechanical quantities calculated at macroscopic or mesoscopic scales and validated by the model's ability to accurately reproduce experimental results. Multiaxial fatigue strength criteria are usually based on scaling transition assumptions aiming at capturing the stress or strain state in the grain. In the case of critical plane based criteria (Dang Van, Papadopoulos, Morel), fatigue crack initiation is supposed to be controlled by a mechanical quantity linked to a particular orientation (critical plane). If fatigue crack initiation phenomena are well established in the case of uniaxial loadings, the nature of the mechanisms involved in the activation of slip systems, multiple slip and preferential sites of rack initiation under complex loadings remains little known.To better understand the mechanisms of multiaxial fatigue crack initiation, analysis and characterization of the plastic activity (e.g. activation of slip systems, persistent slip bands) and observations of fatigue damage have been carried out on pure OFHC copper, using SEM and EBSD analyses. These investigations enabled to highlight the effects of non-proportional multiaxial loadings through the induced multiplicity of slip. The statistical study of preferential crack initiation sites shows that grains with multiple slip have a high probability of crack initiation, especially under non-proportional loading. We also highlighted the role of grain boundaries and twin boundaries on the development of plasticity across the microstructure. The experimental results were compared with those of finite element crystal plasticity computations on synthetic 3D semi-periodic microstructures. The application of the Dang Van criterion at the mesoscopic (grain) scale showed a strong variability of the hydrostatic stress and the shear stress. This variability was greater for anisotropic elastic behavior, while the role of crystal plasticity seemed to be secondary. These analyses allowed putting into perspective the usual assumptions of scaling transition rules used in multiaxial fatigue. Finally, a method based on the extreme values statistics ​​was proposed and applied to the equivalent stress associated to the Dang Van fatigue criterion for polycrystalline aggregate computations with different morphologies and grains orientations. The effects of the microstructure, free surface, loading types and mechanical behavior were analyzed. The results offered interesting insights into the multiaxial fatigue modeling of metals and structures taking into account the microstructure.