La nitruration gazeuse est un traitement thermochimique permettant une meilleure résistance à la fatigue grâce à l’apport de propriétés mécaniques importantes telles que l’augmentation de la dureté et les contraintes résiduelles de compressions. Cette étude est réalisée sur un acier 33CrMoV12-9 utilisé dans l’industrie aéronautique. Un modèle complet adapté à cette nuance permet de quantifier les profils de contraintes résiduelles et de dureté en fonction des paramètres de nitruration. La prise en compte de l’apport de ces propriétés mécaniques est possible grâce à l’utilisation de critère de fatigue de type Crossland. Ce type de critère est intégré dans une méthodologie, afin de calculer la limite en fatigue dans une couche nitrurée et prédire la résistance de la pièce, ainsi que la potentielle zone d’initiation de rupture en fonction d’un chargement, d’une durée de vie et d’une probabilité à rupture donnés. L’utilisation combinée du modèle de calcul des propriétés mécaniques (dureté et contraintes résiduelles) et de la prédiction de l’initiation de rupture dans un matériau nitruré, rend possible une méthode inverse permettant de calculer les paramètres de nitruration adaptés à un chargement subi. Cette approche se justifie dans le cas de nitruration gazeuse, car il a été démontré lors de cette étude, que ce traitement reste robuste face au chargement subi par la pièce. / Gaseous nitriding is a thermochemical treatment that improves fatigue strength by providing important mechanical properties such as increased hardness and residual compressive stresses. This study is carried out on a 33CrMoV12-9 steel used in the aeronautical industry. A complete model adapted to this grade allows to quantify the residual stress and hardness profiles as a function of the nitriding parameters. Taking into account the contribution of these mechanical properties is possible thanks to the use of fatigue criterion such as Crossland. This type of criterion is integrated in a methodology in order to calculate the fatigue limit in a nitrided layer and to predict the resistance of the workpiece, as well as the potential initiation zone of rupture according to a load, a lifetime And a given break probability. The combination of the model for the calculation of mechanical properties (hardness and residual stresses) and the prediction of the initiation of rupture in a nitrided material, makes possible an inverse method allowing to calculate the nitriding parameters adapted to a load suffered. This approach is justified in the case of gaseous nitriding because it has been demonstrated in this study that this treatment remains robust against the loading undergone by the workpiece.

Les conditions de fonctionnement rencontrées dans la problématique de nouvelles générations d'alternateurs automobiles avec des chargements variables et un environnement mécanique complexe déformable ont un effet non négligeable sur le comportement mécanique du roulement et par conséquent sur sa durée de vie. Il est proposé dans ce travail une approche permettant de prendre en compte ces paramètres dans l'estimation de la durée de vie des roulements. La répartition des efforts obtenue des considérations statiques sont utilisés dans un modèle dynamique simplifié permettant de déterminer de l'état de contrainte au cours du temps dû au passage de billes sur la piste de roulement. L'approche multi-échelle de Dang Van couplée à une loi de cumul d'endommagement a permis de déterminer le nombre de cycles avant l'apparition des premiers signes de fatigue. La dernière phase du travail concerne l'aspect expérimental qui a montré que le phénomène de fatigue n'est pas la seule cause de dégradation des roulements montés dans les alternateurs automobiles. / The operating conditions encountered in the new generations of automotive alternators with variable loads and a deformable complex mechanical environment have a significant effect on the mechanical behavior of the bearing and hence its fatigue lifetime. An approach that takes into account these parameters in the ball bearing fatigue lifetime has been proposed in this work. The load distribution obtained from static considerations are used in a simplified dynamic model in order to determine the time-dependent stress state due to ball rolling on the raceway. The Dang Van multiscale approach coupled with a damage law was applied to determine the number of cycles before the apparition of the first signs of fatigue. The last phase of work involves the experimental aspect that shows that the fatigue phenomenon is not the only cause of degradation of bearings mounted in automotive alternators.

Cette thèse traite d’une approche pragmatique de l'endommagement par fatigue des structures sous un chargement cyclique. Un modèle anisotrope de dommage par fatigue a été développé. L'évolution de la dégradation des propriétés du matériau dépend d’un critère de fatigue (choisi) et de ses gradients. La dégradation du matériau anisotrope guidera la propagation des dommages. La propagation des dommages dépend principalement des crêtes de la «surface» du critère (gradients zéro). L'approche proposée décrit l'amorçage, la propagation des dommages et la rupture structurale sous un chargement multiaxial en fatigue. Pour chaque élément fini, des distributions anisotropes non homogènes des propriétés du matériau sont associées. Schématiquement, il apparaît comme un «surfer» matériel sur la «surface» du critère et les dommages suivent la crête de la «surface» du critère (niveau et gradient). Un critère d'approche globale, basé sur des invariants du tenseur des contraintes, est adopté. La réduction des propriétés des matériaux est affectée à un certain nombre de cycles et à un niveau global de contraintes, en utilisant une courbe de Wöhler expérimentale. Deux formes simplifiées du modèle sont proposées et les résultats sont comparés avec un exemple de référence expérimental (plaque cruciforme) et un cas industriel (pale d’une éolienne d’EDF). Une cartographie avec le critère de Dang Van est également calculée pour analyser les résultats numériques. / A new practical engineering methodology for the analysis of structures under cyclic loading is proposed in this work . A new anisotropic fatigue damage model is developed. The evolution of material properties degradation depends on a failure criterion and its gradient. The anisotropic material degradation will guide the damage propagation. The propagation of damage is mainly depending on the ridges of the criterion’s « surface » (zero gradients). The proposed approach can describe the initiation and propagation of the damage until the structural failure under fatigue loading. For each finite element, non-homogeneous anisotropic distributions of material properties are associated. Schematically, it seems like a material « surfing » on the criterion’s « surface » and damages follow the crest of the criterion’s « surface » (level and gradient). A global approach criterion, based on invariants of the stress tensor, is adopted. The reduction of material properties is assigned to a number of cycles and a global level of stresses, using an experimental Wöhler curve. Two simplified forms of the model are proposed and results are compared with a cruciform experimental reference example and an industrial case. A mapping with Dang Van criterion is also computed to analyze the numerical results.

Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension des mécanismes d'endommagement et à l'identification d'un critère de durée de vie du polyamide 6,6 renforcé à 30% en masse de fibres de verre courtes (PA66GF30), obtenu par moulage par injection, en prenant en compte les effets de la température, de la teneur en eau et des orientations de fibres induites par le procédé de fabrication. Ainsi, dans un premier temps, une campagne d'essais de caractérisation du comportement mécanique du PA66GF30, pour différentes orientations de fibres, températures, teneurs en eau et vitesses de sollicitation, a été menée. Ceux-ci ont mis en évidence le rôle de la matrice polyamide 6,6 (PA66) dans la dépendance à la température, à la teneur en eau et à la vitesse de sollicitation du comportement du PA66GF30. Dans ce sens, une triple équivalence Temps-Température-Teneur en eau du comportement du PA66 a été démontrée à l'aide de courbes maîtresses obtenues par DMA. Une nouvelle expression de la vitesse équivalente à une température et une teneur en eau de référence en a alors été déduite, dans l'objectif de pouvoir rendre compte de cette triple sensibilité dans un futur modèle de comportement. Ensuite, une campagne d'essais de fatigue dans des conditions environnementales contrôlées, a permis d'étudier les effets de l'orientation des fibres, de la température et de la teneur en eau, sur la tenue en fatigue d'éprouvettes en PA66GF30. L'analyse mécanique de ces essais a abouti à l'identification d'un critère de durée de vie, tenant compte de l'ensemble des facteurs influents. Enfin, la microtomographie des rayons X sous faisceau synchrotron a été utilisée pour étudier les mécanismes d'endommagement en fatigue présents dans le PA66GF30, suite à des analyses post-mortem et des expériences in-situ. Le dépouillement de ces observations a permis de faire la lumière sur les mécanismes d'endommagement, et de proposer un nouveau scénario d'endommagement en fatigue. / The work discussed in this thesis is a contribution to the understanding of damage mechanisms and identifying a fatigue criterion of polyamide 6,6 reinforced with 30 wt% of short glass-fibres (PA66GF30), obtained by injection molding, taking into account the effects of temperature, water content and fiber orientations induced by the process. Thus, in a first step, the characterization of the mechanical behavior of PA66GF30 for different fiber orientations, temperatures, moisture contents and strain rates, was conducted. They have highlighted the role of the polyamide matrix (PA66) in the temperature, water content and strain rate behavior dependence of PA66GF30. In this sense, Time-Temperature-Water content equivalence of mechanical behaviour of PA66 was demonstrated using master curves obtained by DMA. A new expression of the equivalent strain rate at temperature reference and a water content reference was then deduced, and it is now possible to relay the triple sensitivity to strain rate, temperature and water content in only one term. Then, a fatigue test campaign in controlled environmental conditions, allowed to study the effects of fiber orientation, temperature and water content on the fatigue behaviour of PA66GF30 specimens. The mechanical analysis of these tests has led to the identification of a fatigue life criterion, taking into account all the influencing factors. Finally, the X-ray microtomography under synchrotron beam was used to study the mechanisms in fatigue damage present in the PA66GF30, following post-mortem analysis and in-situ experiments. The analysis of these observations has shed light on the mechanisms damage and, it has been proposed a new fatigue damage scenario.

Dans cette thèse, nous proposons une analyse globale multi-échelles de la fatigue à faible nombre de cycles des matériaux à mémoire de forme (MMF). Dans un premier temps, une large campagne d’essais a été menée pour différents chargements thermomécaniques comprenant des tests de fatigue sous contrainte et déformation imposée et pour différentes fréquences de chargement. A partir des résultats des essais, un critère de fatigue, basé sur l’énergie de déformation, a été développé ; on montre que l’énergie de déformation est un paramètre pertinent pour prédire la fatigue des MMF en tenant compte du couplage thermomécanique et du type de chargement : contrainte ou déformation imposée. Ensuite, en prenant appui sur la répartition de l’énergie de l’hystérésis en dissipation et énergie stockée, on avance une interprétation physique du mécanisme de la fatigue des MMF. Dans la troisième partie, on propose une modélisation multi-échelles de l’initiation des fissures de fatigue dans les MMF à partir de la notion de plasticité de transformation (PlTr). Dans ce cadre, on montre que la fatigue de MMF est contrôlée par la (PlTr) et que la température maximale lors de la transformation de phase est le paramètre à retenir pour prédire la rupture par fatigue des MMF. Le modèle permet également de prédire le lieu d’initiation des premières fissures de fatigue. Enfin, un procédé – fondé sur l’«éducation» des MMF – permettant d’améliorer la résistance à la fatigue est proposé. / The thesis proposes a multi-scale comprehensive analysis of low cycle fatigue of shape memory alloys (SMAs). First, low cycle fatigue of SMAs is experimentally investigated; comprehensive tensile-tensile fatigue tests under both stress and strain controlled loadings at different frequencies are carried out and results are discussed. Second, a new strain energy-based fatigue criterion is developed; it is shown that the use of total strain energy is a relevant parameter to predict fatigue lifetime of SMAs for different thermomechanical conditions and under different types (strain-control or stress-control) loadings. A physical interpretation of the mechanism related to the low-cycle fatigue of SMAs is then provided based on the conversion of hysteresis work into dissipation and stored energy. Third, fatigue crack initiation during cyclic stress-induced phase transformation is modeled based on transformation induced plasticity (TRIP); it is shown that the maximum temperature during the cyclic loading is a relevant indicator of the fatigue of SMA. Furthermore, the effect of the macroscopic mechanical load on the the fatigue lifetime is addressed as well as the spatial location of crack initiation. Finally, a mechanical training process that allows enhancing resistance to low cycle fatigue of SMAs is proposed.

L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier l'influence de la microstructure et de défauts géométriques sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) d'un acier inoxydable austénitique 316L. La méthodologie proposée s'appuie sur des simulations par éléments finis (EF) d'agrégats polycristallins qui permettent de décrire les champs mécaniques à l'échelle des mécanismes impliqués dans les processus d'amorçage de fissures de fatigue.Une étude numérique préliminaire, s'appuyant sur des données expérimentales issues de la littérature, est conduite sur un cuivre électrolytique à l'aide de simulations numériques d'agrégats polycristallins en 2D. L'effet du trajet de chargement et de défauts artificiels de taille proche ou légèrement supérieure à celle de la microstructure sur les réponses mécaniques mésoscopiques sont analysés. Les capacités de prédiction de quelques critères de fatigue, s'appuyant sur des quantités mécaniques mésoscopiques, sont évaluées. Il est mis en évidence que les limites de fatigue macroscopiques prédites par un critère de fatigue probabiliste sont en accord avec les tendances expérimentales observées en fatigue multiaxiale et en présence de défauts.Une campagne expérimentale a été menée sur un acier austénitique 316L. Des essais de fatigue oligocyclique sont conduits afin de caractériser le comportement élasto-plastique du matériau. Des essais de FGNC, utilisant des éprouvettes avec et sans défaut de surface (défaut artificiel hémisphérique) ont été effectués pour estimer les limites de fatigue dans différentes conditions de sollicitation (traction, torsion, traction et torsion combinée, traction biaxiale) et pour plusieurs rayons de défaut. Dans le but de compléter la caractérisation du matériau, la microstructure est étudiée à l'aide d'analyses EBSD et la texture cristallographique est mesurée par diffraction des rayons X. Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour reproduire, avec des simulations EF, les essais de FGNC sur des microstructures 2D et 3D représentatives de l'acier austénitique. L'hétérogénéité de quantités mécaniques mésoscopiques pertinentes en fatigue est discutée avec une attention particulière sur l'effet des défauts. L'approche probabiliste est appliquée aux résultats des modèles EF pour quantifier l'effet de la taille du défaut, pour différents trajets de chargement. La pertinence, vis-à-vis des observations expérimentales, des distributions de la limite de fatigue prédites est évaluée. / The aim of this study is to analyze the influence of both the microstructure and defects on the high cycle fatigue (HCF) behaviour of a 316L austenitic stainless steel thanks to finite element (FE) simulations of polycrystalline aggregates.%The scatter encountered in the HCF behavior of metallic materials is often explained by the anisotropic elasto-plastic behavior of individual grains leading to a highly heterogeneous distribution of plastic slip.Since fatigue crack initiation is a local phenomenon, intimately related to the plastic activity at the crystal scale, it seems relevant to rely on this kind of modeling to evaluate the mechanical quantities.A preliminary numerical study, based on experimental data drawn from the litterature, was conducted on an electrolytic copper using simulations of 2D polycrystalline aggregates. The effect of the loading path and small artificial defects on the mesoscopic mechanical responses have been analyzed separately. Moreover, the predictive capabilities of some fatigue criteria, relying on the mesoscopic mechanical responses, has been evaluated. It was shown that the macroscopic fatigue limits predicted by a probabilistic fatigue criterion are in accordance with the experimental trends observed in multiaxial fatigue or in the presence of small defects.An experimental campaign is undertaken on an austenitic steel 316L. Low cycle fatigue tests are conducted in order to characterize the elasto-plastic behavior of the material. Load-controled HCF tests, using both smooth specimens and specimens containing an artificial hemispherical surface defect, are carried out to estimate the fatigue limits under various loading conditions (tension, torsion, combined tension and torsion, biaxial tension) and several defect radii. To complete the characterization of the material, the microstructure is studied thanks to EBSD analyzes and the cristallographic texture is measured by X-ray diffraction. These experimental data are used to reproduce, with FE simulations, the HCF tests on 2D and 3D microstructures representative of the austenitic steel. The heterogeneity of the mesoscopic mechanical quantities relevant in fatigue are discussed in relation to the modeling. The results from the FE models are then used along with the probabilistic mesomechanics approach to quantify the defect size effect for several loading paths. The relevance, with respect to the experimental observations, of the predicted fatigue strength distributions is assessed.