Ces travaux de thèse concernent la caractérisation en fatigue à grand nombre de cycles de l’alliage d’aluminium moulé A357-T6 (AS7G06-T6) en présence de défauts de type retassure. Six coulées ont été produites pour étudier deux familles de défauts : les retassures de type cavité et les retassures de type spongieuse avec un grade de nocivité qui varie entre 2 et 4 (selon la norme ASTM E 2422). La limite de fatigue en traction positive (R = 0.1) a été estimée en fonction de chaque type de défaut pour N = 2∙106 cycles. Des essais ont été également menés sur des éprouvettes dégradées en surface avec un défaut artificiel. Le défaut artificiel est caractérisé par une variation très localisée de la morphologie (usinage au FIB et par EDM) représentative de la microporosité interdendritique. La morphologie locale et globale des défauts naturels est étudiée grâce à des simulations numériques aux éléments finis. Les calculs numériques sont conduits sur la géométrie réelle d’un pore reconstruite à partir d’un scan en μ-CT. Deux géométries équivalentes ont été proposées pour approximer la morphologie d’un défaut naturel : une sphère et un ellipsoïde équivalent d’inertie.L’effet de la position du défaut sur l’évolution des champs mécaniques a été également étudié en conduisant des simulations numériques aux éléments finis sur la géométrie réelle du pore. Deux approches ont été proposés pour simuler un diagramme de type Kitagawa-Takahashi: (i) la Mécanique de la Rupture en Élasticité Linéaire (LEFM) (ii) un critère de fatigue detype Defect Stress Gradient (DSG), les deux modèles ont été testés dans le cas d’un amorçage sur un défaut de surface et interne.Une campagne d’essais de fatigue (R = 0.1) a été conduite à l’échelle d’un composant industriel. Une pièce réalisée par fonderie en A357-T6 a été testée dans une configuration saine et dégradée avec des défauts artificiels de surface. Un critère de type DSG, qui prend en compte l’effet du gradient de contrainte à l’échelle macroscopique de la structure, a été proposé.Le modèle a été validé par un calcul aux éléments finis du composant en utilisant une routine de post traitement des données, qui affiche en sortie la cartographie de la taille admissible du défaut de surface en chaque point du modèle simulé. / The purpose of this work is to characterize the high cycle fatigue strength of the A357-T6 (AS7G06-T6) cast aluminum alloy affected by natural casting defects (shrinkages). Six different castings have been manufactured in order to study two shrinkage types: the cavity shrinkages and the sponge shrinkages with a defect grade ranging from 2 to 4 (as defined by the ASTM E2422 standard). High cycle fatigue tests have been carried out in order to estimate the fatigue limit under positive tensile loading (R = 0.1) for each defect type at N = 2∙106 cycles. The effect of the local defect morphology has been investigated performing several fatigue tests on specimens with artificial surface defects characterized by a local morphology modification (FIB and EDM machining). The artificial defect size and morphology is representative of the natural interdendritic porosity. The local and global defect morphology of the natural defects have been studied by means of finite element simulations conducted on the real shrinkage morphology reconstructed from a μ-CT scan. Two equivalent geometries have been proposed to simplify the natural defect morphology: a sphere and an inertia - equivalent ellipsoid.The effect of the defect position on the mechanical filed evolution has also been studied by means of finite element simulations performed on the real defect geometry. The analysis of the Kitagawa-Takahashi diagram has been performedby using two different approaches for both internal and surface defects: (i) the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM)(ii) the Defect Stress Gradient (DSG) fatigue criterion. An experimental campaign has been performed at a component scale. A casted A357-T6structural component has been tested with two different configurations: as received and degraded with artificial surface defects. A DSG fatigue criterion,taking into account the effect of the stress gradient at the macroscopic scale of the component, has been proposed. The model has been validated by means of finite element simulations using a data post-processing sub-routine that gives as output the critical defect size map at each point of the simulated model.

Il été prouvée dans plusieurs études de la littérature que la taille d'un composant affecte sa tenue en fatigue et cette tendance est plus prononcée dans le régime de fatigue à grand nombre de cycles. Plus précisément, une baisse de la limite de fatigue est observée et est souvent expliquée par l’augmentation, avec l’augmentation du volume sollicité, de la probabilité de trouver un défaut critique ou une zone plus faible dans le matériau. Le présent mémoire fait partie d'un projet de recherche français (QUAUSI) regroupant plusieurs partenaires industriels et académiques qui vise à contrôler la qualité d'usinage des composants structuraux d'avions. Un des défis consiste à définir un critère approprié d'acceptabilité de défauts pour la conception en FGNC. Le critère doit être capable de prendre en compte une large gamme de défauts de surface et de composants de tailles et de géométries différentes. L'objectif principal étant de mieux comprendre l'impact des états de surface périodiques (caractéristique du type d'usinage utilisé) sur la limite de fatigue, Il a fallu d'abord vérifier si un effet de taille peut être observé quand un nombre croissant de défauts de surface simples sont introduits à la surface d'échantillons polis. Le matériau d’étude est l’alliage d'aluminium 7050 (Al Zn6CuMgZr). Une grande campagne d'essais de fatigue sous charge de flexion plane à R=-1 est effectuée sur des éprouvettes présentant des défauts hémisphériques, de différents tailles et nombres, et des états de surface usinés. Les résultats des essais ont permis de caractériser à la fois l'effet Kitagawa et l'effet d'échelle sur la tenue fatigue. Une approche probabiliste basée sur le concept du maillon le plus faible associé à un critère d'amorçage de fissure de fatigue approprié est utilisée pour prendre en compte la répartition des contraintes et la taille du volume fortement sollicité. Les prédictions utilisant des simulations EF montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux et illustrent l'importance de prendre en compte l'effet d'échelle lors de la conception de composants contenant différents types de défauts de surface ou de motifs de rugosité.Mots-clés : Défaut de surface, fatigue à grand nombre de cycles, diagramme de Kitagawa-Takahashi, Le plus faible concept de lien, alliage AA7050 / The size of a component has been proved in several studies of the literature to affect the fatigue strength and this trend is known to be more pronounced in the High Cycle Fatigue regime. More exactly a drop of the fatigue limit is observed and this evolution is very often explained by the probability to find a critical defect or a weakest zone in the material as the stressed volume rises. The present manuscript is part of a French research project gathering several industrial and academic partners that aims to control the machining quality of aircraft structural components. For one part of the project the challenge is to define a proper defect acceptability criterion for HCF design purpose. It must be able to account for a large range of surface defects and of component sizes and geometries. Even though the primary objective was to better understand the impact of periodic surface micro-geometry patterns (characteristic of the type of machining used) on the fatigue limit, we thought that it was first necessary to check if a size effect can be observed when an increasing number of artificial simplified surface defects are introduced at the surface of smooth specimens. The aeronautical material under investigation is a 7050 Aluminum alloy (Al Zn6CuMgZr). A large fatigue testing campaign under fully reversed plane bending loading is undertaken on specimens with artificial surface hemispherical defects. Defect number varies from 1 to 44 per specimen whereas their size ranges from 60 µm to 800 µm. Testing results allow the characterization of both Kitagawa effect and scale effect on the fatigue response. A probabilistic approach based on the weakest link concept together with a proper fatigue crack initiation criterion is used to account for the stress distribution and the size of the highly stressed volume. Predictions using FE simulations show a good agreement with experimental results and illustrate the importance of taking the scale effect into account while designing components containing different types of surface defects or roughness patterns.Keywords : Surface defect, HCF, Kitagawa-Takahashi diagram, Weakest link concept, AA7050 alloy.