A la température de service (320°C), la ferrite des composants en acier inoxydable austéno-ferritique du circuit primaire des centrales nucléaires subit un vieillissement par transformations microstructurales. Cette phase devient alors fragile et la résilience du matériau chute.<br />L'objectif de ce travail est d'étudier les vitesses et les mécanismes de propagation de fissure par fatigue en fonction du vieillissement et de la température d'essai (20°C/320°C). Pour cela, deux aciers moulés (30 % de ferrite) sont testés. Dans le but de mieux comprendre le rôle joué par l'orientation cristallographique des phases dans le mécanisme de propagation, la microstructure du matériau est étudiée par diffraction des électrons rétrodiffusés (ESBD) et par Trempe en Solidification Dirigée. Des éprouvettes sont également prélevées de telle sorte que la fissure se propage au travers de structures de solidification équiaxes et basaltiques. Microstructure, propriétés mécaniques en fatigue / fissuration et mécanismes sont alors reliés. Pour la gamme de delta K balayée, la fissure avance sans chemin préférentiel par une rupture successive des lattes de chacune de phases. Le plan macroscopique de fissuration, déterminé par ESBD, est imposé par l'orientation cristallographique du grain ferritique. Ainsi, selon la structure de solidification, des fissures secondaires peuvent apparaître ce qui influe sur les vitesses de propagation.<br />La fermeture de fissure, mesurée afin d'estimer les vitesses de propagation intrinsèques au matériau, diminue avec le vieillissement ce qui s'explique par l'accroissement de la composante cinématique du comportement plastique cyclique. La pente de la droite de Paris déterminée à partir de vitesses intrinsèques augmente avec le vieillissement. Le domaine de vitesse peut alors être séparé en deux parties : celle pour laquelle les vitesses sont plus faibles dans le matériau non vieilli et celle pour laquelle la tendance est inversée.

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.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Occlusal pits and fissures are ideal places for caries development. Placement of dental sealants has been reported to be effective in preventing this process. However, the effectiveness of dental sealants has been reported to be influenced by clinical factors, such as preparation and placement techniques. A report recently published by the American Dental Association on the clinical recommendations for use of pit-and-fissure sealants included critical evaluation and a summary of relevant scientific evidence on the use of sealants aimed at assisting clinicians. The report addressed concerns such as: Does placing sealants over early (noncavitated) lesions prevent progression of the lesions? Are there any techniques that could improve sealants’ retention and ffectiveness in caries prevention? The investigators concluded that there is limited and conflicting evidence to support that mechanical preparation with a bur results in higher retention rates in children and recommend that pit-and-fissure sealants should be placed on early (noncavitated) carious lesions. The purpose of this in vitro study was to evaluate two methods of fissure treatment before sealant placement on different caries levels. In this study, 135 extracted human molars (ICDAS codes 0 to 2) were collected and ranked by a calibrated examiner into three groups. These were further divided into three subgroups (nine total). Occlusal surfaces were prepared with: 1) a ¼-mm round bur, 2) air abrasion, and 3) no treatment as a control. All groups were etched with 3.0- percent phosphoric acid for 15 seconds, rinsed thoroughly, and dried with an air water syringe. Opaque dental sealants were placed on the etched occlusal surfaces according to the accepted clinical standards and light-cured for 30 seconds. All groups were thermocycled for 5000 cycles. The roots of the teeth were painted with nail varnish, root apices were sealed with wax, and the occlusal surfaces were immersed in 1.0-percent methylene blue for a full 24 hours. The next day the teeth were cleaned, and the roots were sectioned to expose the crowns. Crowns were cut along the occlusal surfaces in the buccolingual direction. The sectioned surfaces were examined under the Nikon SMZ 1500 microscope for sealant penetration in the fissure and microleakage along the sealant enamel interface. The analyses were performed on a transformation of the sealant penetration percentage commonly used for calculated percentages: sin-1(p1/2). The effects of the type of group, the ICDAS code, and the fissure type on sealant penetration percentage were compared using ANOVA. The effects on microleakage and bubbles were compared using GEE methods applied to logistic regression. The effects on dye penetration were compared using GEE methods applied to cumulative logistic regression to account for the ordered categories of the dye penetration scale. In the findings of sealant penetration, the group type did not have a significant effect on sealant penetration (p = 0.195). ICDAS codes had a significant effect on sealant penetration (p = 0.0113) where ICDAS Code 0 had greater penetration than ICDAS codes 1 and 2. Fissure type had a significant effect on sealant penetration (p = 0.0001) where fissure types V and U had greater sealant penetration than Fissure types Y and W. In the findings of microleakage, the type of group had a significant effect on microleakage (p = 0.0004) where the abrasion group had increased microleakage as compared with the 1/4 round bur and control groups. ICDAS code had a significant effect on microleakage (p = 0.0022) where ICDAS code 0 had less microleakage as compared with ICDAS code 1 and 2. Fissure types V, U, Y, and W did not have a significant effect on microleakage (p = 0.721).

Dans cette thèse, j’ai conçu un nouveau test de rupture adapté à l’étude des matériaux fragiles sur une grande gamme de vitesse de fissure. Il a été mis en œuvre sur le PMMA, permettant de caractériser la transition entre un régime de rupture à grande vitesse v>vc=15 mms-1 avec des faciès optiquement plats et un autre régime pour v<vc avec une rugosité caractérisée par des motifs triangulaires. L’étude de la déformation du front dans le plan moyen de fissuration montre que le matériau est plus tenace à l’intérieur de ces triangles qu’à l’extérieur. Qui plus est, ces triangles sont décorés par de petits motifs en forme de toit d’usine, caractéristiques de l’instabilité de fragmentation sous mode I+III. Pour comprendre l’émergence de ces formes, nous revisitons tout d’abord les modèles de fragmentation en supposant que l’énergie de rupture dépend du cisaillement comme Gc(KIII/KI)=GcI[1+ (KIII/KI)2]. Le seuil de fragmentation (KIII/KI)thc ainsi prédit décroit significativement, réconciliant théorie et expérience. Le motifs triangulaires permettant de mesurer le paramètre exp à partir de la déformée du front et le degré de cisaillement (KIII/KI)exp par l’inclinaison des facettes qui est compatible avec la valeur de seuil prédite (KIII/KI)thc. A partir des valeurs exp et (KIII/KI)thc ainsi déterminées, nous prédisons que les facettes dérivent le long du front avec un angle compatible avec celui formé par les triangles. Cette compréhension fine de ces motifs nous permet donc de mettre en relation la transition rugueuse observée dans le PMMA avec l’instabilité de fragmentation et ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension de motifs similaires dans d’autres matériaux. / During this PhD thesis, a new fracture test geometry is designed for the accurate measurement of the fracture properties of brittle solids, subsequently applied to study failure in PMMA. At high crack speeds, their fracture surfaces are optically smooth. But below vc = 15 mms-1, a transition to rough surfaces occurs through the formation of puzzling triangular patterns. These patterns lead to significant toughening of the material that reflects through the pinned shape of the crack front as it crosses triangles. In addition, these triangles are found to be decorated by faceted features reminiscent of the crack front fragmentation instability in mode I+III. Assuming a shear-dependent fracture energy Gc(KIII/KI) = GcI[1+ (KIII/KI)2] we theoretically predict a fragmentation threshold (KIII/KI)thc that can be as low as a few percent while earlier models (that assumes = 0) predict a much larger value, inconsistent with various experimental observations. Applied to our experiments, this model allows us to measure exp from the deformation amplitude of the pinned front and the amount of applied shear (KIII/KI)exp from the facet inclination which is found to be compatible with the theoretically predicted threshold (KIII/KI)thc . Using the values (KIII/KI)exp and exp thus determined, one finally predict a drift of the facets from the propagation direction accounting for the triangle angle observed experimentally. To conclude, our study shows that the roughening transition in PMMA is a signature of front fragmentation under mode I+III. As a result, deciphering the triangular patterns at the transition led to significant improvements in the understanding of this instability.

La plupart des pièces industrielles sont soumises à des chargements multiaxiaux à amplitude variable. La connaissance de la durée de vie résiduelle d'une pièce fissurée, nécessite des modèles de propagation capables de prendre en compte ces deux aspects.<br />Les objectifs de la thèse portent, d'une part, sur l'application d'un modèle incrémental pour simuler la fissuration par fatigue des roues de train sous chargement à amplitude variable, et d'autre part, sur l'enrichissement de ce modèle pour prendre en compte la compression, la contrainte T et la forme semi-elliptique des fissures.<br />Le modèle incrémental repose sur l'idée qu'en fatigue à grand nombre de cycle, l'avancée instantanée d'une fissure est proportionnelle à l'émoussement plastique de sa pointe. Les équations d'évolution de l'émoussement plastique sont déterminées par Eléments Finis à partir du comportement élastoplastique de la structure fissurée. Deux essais sont nécessaires pour identifier les paramètres du modèle, un essai de comportement élastoplastique cyclique du matériau et un essai de fissuration en fatigue à amplitude constante. Les calcul de propagation ont montré que le modèle reproduit fidèlement tout les phénomènes observés en fatigue à amplitude variable : retard après surcharge, accélération après souscharge, interaction entre cycles et histoire de chargement pour les signaux complexe. La compression et la contrainte T ont été ensuite intégrée dans le modèle et validées grâce à des essais de fissuration réalisés sur des éprouvettes prélevées dans une roue de TGV. Enfin le modèle a été étendu en 3D, des essais de fissuration sur fissure semi-elliptique ont été menés sur éprouvettes de flexion 4 points et sur roues à l'échelle 1, l'accord avec les prédictions du modèle est satisfaisant.

Face à la complexité croissante des trajectoires et des conditions opérationnelles des forages pétroliers et géothermiques, le phénomène de fatigue est devenu la cause principale de rupture des garnitures de forage. La fatigue des tiges est essentiellement liée à leur flexion cyclique due à leur rotation dans une section courbe du puits. L'objectif de ce travail est d'élaborer une méthodologie ainsi que les modèles numériques nécessaires pour évaluer la fatigue des tiges au cours du forage de puits à trajectoire complexe. Pour ce faire, nous proposons d'abord de choisir parmi les approches existantes de prévision de la durée de vie en fatigue d'une structure celles qui nous ont semblé les plus pertinentes pour le problème de fatigue des systèmes de forage. Puis, ces approches (qui comprennent les théories de la fatigue et de la rupture ainsi que des lois empiriques), et des logiciels de calcul de structures sont ensuite intégrés dans des algorithmes de calcul incrémental de la fatigue d'un système en fonction de l'évolution de l'opération du forage. Du fait que les contraintes dans les tiges restent souvent dans le domaine élastique, deux modèles de fatigue des tiges sont développés : un premier est basé sur le calcul du cumul de fatigue et un second sur le calcul de la propagation de fissure par fatigue. Ces deux modèles peuvent être utilisés dans la phase de conception de la trajectoire du puits et de la garniture pour le forer, de même qu'en opération pour prédire les risques de rupture par fatigue du train de tiges. Ceci permet à l'opérateur de planifier la gestion des tiges et leurs inspections en fonction de l'historique de leur utilisation. / Facing the growing complexity of trajectories and operating conditions of oil and geothermal drillings, the fatigue phenomenon has become the main cause of drill-string failure. The fatigue of drill-pipes is essentially due to their cyclic bending caused by their rotation in a curved section of the well. The objective of this work is to develop a methodology and the necessary numerical models to assess the fatigue of drill-pipes during drilling operations of complex trajectory wells. For this purpose, we propose firstly to choose among the available approaches for structure fatigue life prediction those that seem most relevant to drill-string fatigue problem. Then, these approaches (which include the fatigue and fracture theories as well as empirical laws), and structural calculation software are then integrated into incremental computation algorithms of drill-pipe fatigue in function of drilling operation evolution. Since the stresses in drill-pipes remain often within the elastic domain, two fatigue models for drill-pipes are developed: the first one is based on the cumulative fatigue calculation and the second one on the fatigue crack growth calculation. These models can be used in the well and drill-string design, or in real time during drilling to predict the fatigue failure in the drill-string. This allows the drill operator to plan the management of drill-pipes and their inspections depending on their usage history.

Une méthode améliorant le calcul des facteurs d’intensité de contrainte en mode I par hybridation de deux fonctions de poids est présentée et appliquée aux cas de fissures elliptiques sous différents chargements. L'hybridation consiste à utiliser l'une ou l'autre des deux fonctions dans la zone de la fissure où la fonction est la plus efficace. La délimitation des zones est faite après optimisation des paramètres géométriques de la fissure. Afin d’étendre l’utilisation de cette approche à la modélisation des fissures semi-elliptiques, son couplage avec la PWFM (Point Weight Function Method) pour tenir compte de l’effet de la surface libre a été réalisé. L’utilisation des lois de propagation de fissure (de Paris et de Sih) a permis l’extension de l’application de l’approche d’hybridation aux problèmes de fatigue. La qualité des résultats trouvés pour les fissures elliptiques et semi-elliptiques est bonne aussi bien pour les chargements quasi-statiques que pour ceux de fatigue. / A method improving the evaluation of the stress intensity factor by hybridization of two weight functions is presented and applied for embedded elliptical cracks under various loadings. The hybridization consists in using one or another function in the zone of the crack where it is the most efficient. The delimitation of the zones is achieved after optimizing the geometrical parameters of the crack. In order to extend the use of this approach to the modeling of semi-elliptical surface cracks, its coupling with the PWFM (Point Weight Function Method) to take account of the free edge effect were carried out. The use of the fatigue crack growth laws (Paris law and Sih law) allowed the extension of the application of the hybrid approach to the fatigue problems. The quality of the results found for the elliptical and the semi-elliptical cracks is good for the static loads as well as for the fatigue ones.

Le développement d’outils prédictifs qui relient l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique dans le cadre de la rupture fragile est le défi majeur de cette thése. Dans le cas d’une fissure plane se propageant de façon quasistatique, en mode I, dans un matériau faiblement hétérogène et invariant dans la direction de propagation, on peut montrer à l’aide d’une approche perturbative utilisant les fonctions de poids, que le seuil de rupture de Griffith est toujours atteint en tout point du front et que par conséquent la ténacité effective est simplement égale à la moyenne des valeurs locales. Nous abordons ici le même problème mais avec des hétérogénéités de ténaciteé plus élevées. Dans la première partie, nous considérons une fissure semi-infinie dans un corps infini ou dans une plaque d’épaisseur finie et nous étendons analytiquement l’approche du premier au second ordre. Nous montrons que, même si le critère de Griffith est atteint partout, les déformations du front peuvent induire une déviation de la ténacité efficace de sa valeur moyenne. Nous effectuoès de plus des expériences de peeling afin de préciser le domaine de validité des approches. Dans la deuxième partie, nous considérons une fissure circulaire se propageant dans un motif de ténacité axisymétrique et résolvons le problème numériquement, quelquesoit le contraste de ténacité et la taille des hétéogénéités, en itérant sur les formules du premier ordre. Pour un contraste d’hétérogénéité suffisamment grand, le critére de la Griffith ne peut plus être atteint partout: certains points du front sont piégés par les zones plus tenaces, tandis que d’autres parties avancent indéfiniment. De ce fait, la ténacité diminue avec la taille et le contraste, à partir de sa valeur moyenne locale jusqu à son minimum. / The development of predictive tools that bridge microscopic to macroscopic scales in brittle fracture is the key challenge of this thesis. In the context of quasi-static planar crack propagation under mode I loading, it has been shown, using first-order weight-function perturbation approaches that, for weak heterogeneities, when the material is homogeneous in the propagation direction, the Griffith’s threshold is always reached for all points of the crack front so that the effective toughness is simply equal to the average of the local toughness. Here, we address the same problem but with stronger toughness heterogeneities. In the first part, we consider a half-plane crack embedded in an infinite body or in a finite thickness plate and we extend analytically the first-order approaches to the second-order. We show that even if Griffith’s criterion is reached all over the front, the deformations of the front may induce some second-order deviation of the effective toughness from its mean value. We also perform peeling experiments that define their range of applicability. In the second part, we consider a circular crack propagating in an axisymmetric toughness map and solved the problem numerically, for any toughness contrast and heterogeneity size, by iterating the first-order formulas. For large enough heterogeneity contrast, the Griffith’s criterion can no more be reached everywhere: some points of the front are pinned by strong impurities, while some other parts advances continuously. Correspondingly, the effective toughness is shown to decrease with size and strength of heterogeneity from the average value of the local toughness down to its minimum one.

Les résines époxy renforcées par des nodules thermoplastiques sont largement utilisées dans les matériaux composites à matrice organique de l’industrie aéronautique. Dans le cas particulier des stratifiés, les résines époxy déterminent la résistance du milieu inter-laminaire au délaminage. Ce processus de décohésion macroscopique apparaît classiquement lors d’un impact dynamique et compromet fortement l’intégrité des structures composites légères. Pourtant, les modèles cohésifs actuels ne sont pas prévus pour la simulation du délaminage sous sollicitation rapide. Notamment, l’influence présumée de la dynamique sur la rupture du milieu inter-laminaire riche en résine époxy n’est pas prise en compte. Par conséquent, cette recherche consiste à caractériser l’initiation et la propagation de fissure dans une résine époxy sous chargement dynamique. Dans cet objectif, des éprouvettes entaillées sont fabriquées à partir de la résine époxy Hexply RM21 spécifique du domaine aéronautique. Un protocole expérimental est développé et validé afin d’estimer les ténacités d’initiation et de propagation d’une éprouvette chargée en flexion 3-points par un vérin hydraulique. Les essais réalisés démontrent que la ténacité dynamique augmente fortement avec la vitesse de propagation de fissure, à l’inverse de la ténacité d’initiation qui diminue avec la vitesse d’impact. Ces évolutions sont cohérentes avec les micrographies réalisées post-mortem qui présentent une augmentation des mécanismes de rupture. Finalement, une loi cohésive est définie et identifiée pour prendre en compte l’influence de la dynamique sur l’initiation et la propagation d’une fissure dans la résine époxy étudiée. / Epoxy resins toughened with embedded thermoplastic particles are classically used in the aeronautical composites manufacturing. As matrix into laminated composites, epoxy resins determine the delamination resistance of the interlaminar field. The delamination process is a large decohesion that often occurs during impact loadings and it critically compromises the integrity of the light weight composite structures. However, most of the cohesive zone models are not intended to simulate delamination under high rate loadings. In particular, these models do not consider the expected effects of loading rate on fracture behaviour of the resin-rich interlaminar field. Therefore, this research aims at characterizing crack initiation and propagation in epoxy resins under dynamic loadings. For that purpose, we manufacture notched specimens made of pure Hexply RM21 epoxy resin which is mainly used in aeronautics. An experimental procedure is developed and validated in order to estimate initiation and propagation fracture toughness on a 3-points bending test associated to a servo-hydraulic testing machine. Experimental results demonstrate that the dynamic fracture toughness highly increases with the crack propagation speed while the initiation toughness decreases with the impact velocity. These evolutions are consistent with post-mortem micrographic observations that show intensifying fracture mechanisms. Finally, a cohesive law is defined and identified to take into account the dynamic dependency of crack initiation and propagation in the considered epoxy resin.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / While most sealants available are resin-based, glass ionomer-based cements can be used as sealants, with the advantage of being more tolerant to moisture during placement and of releasing fluoride. The objective of this study was to evaluate the influence of different fissure conditioning techniques on penetration and microleakage of glass ionomer (GI) and resin-modified glass ionomer cements (RMGI) used as sealants. Clinically sound extracted human molars were distributed into nine experimental groups (n = 15 each). Group 1 (control) was sealed with resin-based sealant (Delton) following clinically accepted techniques. Groups 2 through 6 were sealed with RMGI (Vitremer) after having the fissure conditioned with either polyacrylic acid (RMGI-control), 35-percent H3PO4, low viscosity 35-percent H3PO4 with a surfactant, self-etch conditioner, or 35-percent H3PO4 followed by self-etch conditioner. Groups 7 through 9 were sealed with GI sealant (Fuji Triage) after having the fissures conditioned with either polyacrylic acid (GI-control), 35- percent H3PO4 or low viscosity 35-percent H3PO4 with a surfactant. After aging through thermocycling (2500 cycles), specimens were incubated in methylene blue for four hours and sectioned at multiple locations. Digital images were obtained using a digital stereomicroscope, and microleakage was determined by scoring the dye penetration along the enamel-sealant interface. The penetration of the material was determined by calculating the percentage of the total length of the fissure penetrated by the material. Results: The use of self etch-conditioner significantly increased RMGI penetration, while surface conditioning with 35-percent phosphoric acid with surfactant significantly decreased microleakage of GI. The resin-based sealant placed after 35-percent phosphoric acid surface conditioning showed the best penetration and the least level of microleakage. In conclusion, results from this study suggest that the placement of glass ionomer-based sealants can be enhanced by modifying current conditioning methods.