Les canalisations coudées des circuits de refroidissement des centrales thermiques sont soumises à des fluctuations thermiques de faible amplitude et de fréquence variable. Ces fluctuations associées aux variations de température des fluides présentent un risque de fissuration et de fuites. Afin de prévenir de tels risques, EDF a lancé le programme CRECO RNE 808, « Fatigue thermique des aciers inoxydables austénitiques 304L » pour étudier expérimentalement sur élément de volume, lamorçage et le début de propagation des fissures en fatigue thermique dans les aciers inoxydables austénitiques. Lobjectif est de comparer le comportement et lendommagement du matériau en fatigue mécano-thermique (cyclage en température + cyclage en déformation) et en fatigue isotherme et est orienté sur le problème RRA, dans lequel les conditions extrêmes ont été déterminées par EDF pour le métal Tmax = 165°C et Tmin = 90°C et où la fréquence des fluctuations thermiques peut atteindre un Hertz. Une sollicitation thermomécanique sur élément de volume est nécessaire en effet pour simuler la fatigue thermique des zones critiques dune structure. Des essais de fatigue isotherme, aux deux températures extrêmes du cycle thermique, ont montré un comportement similaire du matériau et un effet du module sur la réponse mécanique du matériau. On na pas constaté de réelle différence de durée de vie entre les deux températures étudiées pour des amplitudes de déformation mécanique supérieures à 0,18% alors que pour des faibles amplitudes de déformations la durée de vie du matériau diminue quand la température augmente. Des essais de fatigue mécano-thermique réalisés sur des éprouvettes prélevées dans une bride de barrière thermique et dautres sur une tôle ne montrent pas de différence que ce soit de point de vue comportement ou durée de vie pour des amplitudes de déformations mécaniques supérieures à 0,18%. Dans le but détudier leffet de la contrainte moyenne, induite par pré-écrouissage cyclique, sur la durée de vie du matériau, des essais ont été réalisés sur des éprouvettes pré-écrouies cycliquement à lambiante à ±1%. Une première comparaison des deux essais réalisés sur matériau pré-écroui ne montre pas de différence entre le chargement mécano-thermique et isotherme à 165°C que ce soit en terme de comportement ou de durée de vie. Un effet de la contrainte moyenne (préécrouissage monotone à lambiante) a été mis en évidence en fatigue isotherme à 165°C, avec une réduction importante de la durée de vie sur le digramme Dep/2 = f(Nf). Sous sollicitations mécano-thermiques, la durée de vie sur matériau pré-écroui est plus importante que dans des conditions isothermes à 165°C. Une étude du comportement en relaxation du matériau entre 50 et 250°C a montré la présence de deux stades de relaxation : un premier stade pendant lequel le matériau se relaxe rapidement avec une viscosité indépendante de la température et de la déformation plastique cumulée, et un deuxième stade pendant lequel la contrainte macroscopique varie peu dans le temps. Létude a montré que la capacité de relaxation du matériau diminue quand la température augmente de 50 à 250°C : le matériau présente donc une anomalie de comportement marquée dans ce domaine de températures. Un pré-écrouissage cyclique à lambiante à ±1% diminue le taux de relaxation du matériau à 50°C et fait apparaître une troisième stade de relaxation du matériau avec une viscosité plus importante. Un pré-écrouissage monotone à lambiante jusquà une contrainte maximale de 500MPa, réduit encore plus le taux de relaxation du matériau à 50 quà 250°C. Les essais de fatigue mécano-thermique à grand nombre de cycles (106 cycles et au delà) conduisent à des durées dessais pouvant dépasser un an. Afin dexplorer, néanmoins, leffet de lamplitude de déformation dans ce domaine de durée de vie, et compte tenu du fait que sur site les premiers stades damorçage se produisent dans des zones superficielles perturbées, nous avons réalisé des essais de propagation de fissures courtes à partir dune entaille (longueur 2a = 0.5mm) en plasticité généralisée en contrôle de déformation mécanique, comme sur élément de volume. Un modèle de durée de vie est introduit au dernier chapitre. Le calcul est basé sur les résultats des essais de fissuration en plasticité généralisée décrite dans le chapitre 6. En premier lieu un modèle de comportement cyclique est identifié aux deux températures 90 et 165°C.<br /> La deuxième partie sintéresse au calcul de durées de vie. À travers une représentation énergétique des résultats, nous avons discuté la validité du modèle de durée de vie en nous basant sur une analyse assez simplifiée. Deux approches sont présentées, avec pour chaque cas une comparaison des durées de vie expérimentales aux durées de vie obtenus expérimentalement en fatigue isotherme à 90 et 165°C et en fatigue mécano-thermique. Le modèle de durée de vie retenu a été validé en fatigue isotherme à 90 et 165°C ainsi quen fatigue mécano-thermique.

Le matériau étudié est un alliage Al A356, utilisés pour produire des têtes de cylindres pour l'industrie automobile par fonderie. Le matériau présente une microstructure dendritique assez grossière dans une matrice eutectique, avec une taille moyenne de grains de 25 microns, des précipités intermetalliques et des porosités. Les propriétés de traction sont fortement affectées par la température d'essai, avec une baisse assez sensible du module de Young, de la limite d'élasticité lorsque la température augmente. La durée de vie de fatigue isotherme chute de façon marquée (approximativement d'un facteur 10) lorsque la température d'essai est portée de 120 à 280 °C, en déformation imposée. Du essais thermomecaniques cycliques en phase, avec une température variant de 120 à 280 °C, on montré que la durée de vie en anisotherme est assez similaire à celle obtenue en conditions isothermes à 280 oC. Dans ce cas, les dommages causés par le chargement thermomécanique cyclique se produisent à la température la plus élevée du cycle. Les essais de relaxation ont montré l'existence de deux comportements distincts. À basse température, le matériau présente de l'écrouissage cyclique tandis qu'il s'adoucit cycliquement à des températures plus élevées. A partir des résultats de croissance des fissures de fatigue, on a observé que la température et la forme du cycle de fatigue a une forte influence sur la vitesse de fissuration par fatigue ainsi que sur le facteur d'intensité des contraintes seuil. Une loi de comportement élastique visco-plastique non-isotherme a été identifiée pour le matériau. Les paramètres de comportement mécanique sont statistiquement distribués du fait de la fabrication du matériau par fonderie. Toutefois, il a été démontré que le modèle était capable de se reproduire, avec une approximation raisonnable, les essais contrainte-déformation à des températures différentes, pour le cas isotherme et anisotherme. / The studied material is an A356 Al alloy, used to produce engine cylinder heads for the automotive industry by die casting process. The material displays a quite coarse dendritic microstructure in a eutectic matrix, with a mean grains size of 25 microns, intemetallic precipitates and porosities. The tensile properties are strongly affected by testing temperature, with a quite sensitive drop of the Young's modulus, the Yield stress as the temperature was raised. The isothermal fatigue life dropped of markedly (approximately 10 times) when the testing temperature is raised from 120 to 280 °C, under strain control. From the themomechanical in-phase cyclic tests, with temperature varying from (120 to 280 oC), it was possible to observe that life is quite similar to the isothermal fatigue test at 280 oC. In this case, the more sensitive damage caused the in-phase mechanical and thermal cycle take place at the highest temperature. Relaxation tests indicated two distinct behaviors, with the temperature of 240°C being a threshold. At lower temperatures, the material hardens cyclically whereas it softens cyclically at higher temperatures. From the fatigue crack growth results, it was observed that temperature and wave shape has a strong influence on the crack growth rate as well as on the stress intensity threshold. Considering sinusoidal wave shape (10 Hz), as the temperature increased the DKth decreased and the crack propagation rate increased. However, the rate as da/dN change with temperature is quite similar, as an indicative that the micromechanism of crack growth has not changed due to the high frequency used, and it was due only to loss of mechanical strength. An elastic-visco-plastic non-isothermal constitutive law was identified for the material. For the cast material studied in this work, the mechanical behavior parameters are statistically distributed. However, it was shown that the model was able to reproduce, with a reasonable approximation, the stress – strain relationship at different temperatures, for the isothermal and anisothermal cases. / Para caracterizar componentes usados em aplicações de alta responsabilidade não basta apenas conhecer a composição química e os resultados de ensaios de tração, impacto e dureza, pois estes podem não fornecer os subsídios necessários que permitam prever, de maneira confiável, o comportamento dos componentes nas condições reais de trabalho. Exemplo disto são os cabeçotes de motor automotivos, submetidos a tensões térmicas e mecânicasrelativamente altas durante seu uso normal e altíssimo em condições extremas. Durante longos tempos de funcionamento e eventuais falhas na refrigeração e ou lubrificação a temperatura pode chegar a valores próximos de 300ºC. Esta variação de temperaturas provoca choques térmicos que podem gerar trincas e/ou uma grande quantidade de deformação plástica em regiões próximas aos pistões. Desconsiderando a presença de choques térmicos provocadospor falhas, ainda assim, uma pequena quantidade de ciclos de acionamento e parada do motor, é considerada como os principais causadores de pequenas trincas. Isso indica que o surgimento de trincas em cabeçotes de motor deve ser considerado um problema de fadiga termomecânica de baixo ciclo. Outro problema é a heterogeneidade microestrutural no componente devido ao processo de fundição, levando a propriedades mecânicas e físicas diferentes em uma mesma peça. Além da presença de porosidade gerada por bolhas de gás e vazios de solidificação, que podem adquirir tamanho tal que se aproximem de pequenas trincas, diminuindo a vida para a nucleação e assim mudando o foco do problema para o de propagação de trinca por fadiga. A proposta deste trabalho foi a de determinar as propriedades de fadiga isotérmica e termomecânica através de ensaios de fadiga de baixo ciclo, bem como as propriedades de propagação de trinca por fadiga, relaxação, caracterização microestrutural e modelagem do comportamento mecânico por elementos finitos para a liga de alumínio utilizada na fabricação de cabeçotes de motores automotivos pela indústria nacional. Todos os ensaios e análises computacionais foram realizados nos laboratórios da Universidade de São Paulo (EESC-USP) e da École Normale Supérieure de Cachan (ENS-LMT). Os ensaios de fadiga isotérmica foram realizados nas temperaturas de 120ºC e 280ºC e os ensaios termomecânicos foram realizados em fase entre as temperaturas de 120ºC e 280ºC. Os ensaios de relaxação foram realizados em várias temperaturas com carregamento de onda trapezoidal, enquanto que os ensaios de propagação de trinca por fadiga foram realizados nas temperaturas de 120ºC, 200ºC e 280ºC para arregamentos de onda senoidal e trapezoidal em controle de carga e de deslocamento. Foi feita também análise microestrutural nos corpos de prova, após os ensaios de fadiga, por microscopia óptica e por microscopia eletrônica de varredura MEV.Os resultados destes ensaios mostraram que os defeitos de fundição e a falta de homogeneidade no material, aliados a longos tempos de exposição a carregamentos e em altas temperaturas, constituem um fator crítico no desempenho do componente. Estes resultados ajudarão a estabelecer modelos precisos de previsão de vida para os cabeçotes de motor.