Notre étude a porté sur un acier de construction navale (type S355NL) employé dans la conception de bâtiments de surface. Si le comportement des fissures longues est assez bien connu, celui de fissures courtes est peu maîtrisé. Ces deux types de fissures ne présentent en réalité que peu de points communs et la démarche à adopter lors de l'étude de ces fissures courtes a nécessité une réflexion particulière. Il est notamment important de noter que la vitesse de propagation des fissures courtes est considérablement influencée par les constituants microstructuraux du matériau (inclusions, joints de grain...). Des essais à amplitude de contrainte constante ont tout d'abord été entrepris pour caractériser le comportement des fissures courtes. Les rapports de charge R utilisés pour ces essais de fatigue furent 0,1, 0,3, 0,5 et enfin -1. Des essais à amplitude variable (croissante, décroissante et issue d'un spectre de chargement) ont également été réalisés. Ces travaux ont donné lieu à de nombreux résultats expérimentaux concernant la propagation de fissures de fatigue qu'il s'agisse de fissures propageantes (conduisant à la rupture) ou non propageantes et ce à partir d'une taille de mesure de 20-25 µm. Les résultats obtenus ont été systématiquement comparés aux courbes de propagation des fissures longues (courbes da/dN – ∃Keff) également établies pour ce matériau.<br />Parallèlement à ces travaux, une étude numérique a été menée en utilisant le code éléments finis Abaqus\Standard. Nous avons tout d'abord déterminé la répartition des contraintes et le coefficient de concentration de contrainte KT dans la zone d'amorçage pour les éprouvettes utilisées. Puis, dans le but de calculer le facteur d'intensité de contraintes K nécessaire à la modélisation du comportement des fissures de fatigue, plusieurs calculs basés sur le concept d'intégrale J furent menés. Ceux-ci ont été établies pour différentes configurations d'éprouvettes et de fissures (semi-elliptique, semi-circulaire, coin, surface,...) dans les cas élastique et élastoplastique. Enfin, deux lois ont été proposées pour prédire la durée de propagation d'une fissure par fatigue.

Les divers composants d'un réacteur d'avion sont soumis à des chargements de fatigue mécaniques et thermiques fortement variables. Afin de prédire au mieux leurs durées de vie, il est alors nécessaire de prendre en compte l'ensemble de ces variations. Pour ce faire, un modèle représentant de façon incrémentale l'évolution de la plasticité en pointe de fissure a été développé. Celui-ci permet de prédire la vitesse de propagation d'une fissure tout en prenant en compte les effets d'histoire provenant de la plasticité produite lors de surcharges ou de sous-charges. Dans cette étude, ce modèle condensé de plasticité a été exprimé plus simplement à partir du facteur d'intensité des contraintes et l'identification automatisée de ses divers paramètres a été redéveloppée. Dans ce but, un essai de fissuration stable a été conçu pour déterminer simplement le seuil de non-propagation du matériau. Par ailleurs, les éventuelles fissures se propageant dans un composant sont en général amorcées en surface à partir de chocs ou de rayures. Ces fissures passent la majeure partie de leur vie dans un régime de propagation de fissure courte, différant de celui d'une fissure longue. En effet, à facteur d'intensité des contraintes équivalent, une fissure courte se propagera plus rapidement qu'une fissure longue. La prise en compte de ce comportement dans la prédiction de durée de vie est donc primordiale. En outre, il a été observé qu'une fissure longue subissant une contrainte T négative se propage de façon analogue à une fissure courte. Il a donc été choisi de développer un nouveau modèle adapté aux fissures courtes en prenant en compte l'influence de la contrainte T sur la vitesse de propagation. Enfin, à partir des essais de fissuration stable, un protocole a été développé pour réaliser des éprouvettes comportant fissure courte. Une campagne d'essais multiaxiaux pour différentes valeurs de contrainte T a été menée en régime permanent et transitoire afin d'étudier les similitudes entre effet de fissure courte et influence de la contrainte T. / The various components of an aircraft engine undergo strong changes in mechanical and thermal fatigue loadings. All these variations must be taken into account in order to anticipate the components' total fatigue life to the best. An incremental model showing the changes in plasticity at the crack tip has therefore been developed. It allows us to foresee the crack growth rate with history effects by modelling the plastic behaviour produced when overloads or underloads occur. In this study, the plasticity condensed model has been represented in an easier way, using the stress intensity factor and the automated identification of its parameters has been redeveloped. A stable crack growth test has been designed to determine easily the fatigue crack growth threshold of the material. Cracks usually grow from scratches or impacts on the surface of the component. These cracks spend much of their fatigue life growing with a short crack behaviour, differing from the long crack one. As a matter of fact, a short crack grows faster than a long crack for a same stress intensity factor. This behaviour must therefore be taken into account while modelling the crack growth to accurately predict the total fatigue life of the component. It appeared furthermore that a long crack undergoing a negative T-stress grows the same way as a short crack. It has consequently been chosen to develop a short crack growth model using the influence of T-stress on the crack growth rate. Finally, using the stable crack growth specimens, an experimental protocol has been designed to produce new specimens containing a short crack. A multiaxial tests campaign was carried out for various values of T-stress in permanent and transitional regimes in order to compare short crack and T-stress effects.

La tomographie en contraste de diffraction est une nouvelle technique non destructive d'imagerie synchrotron qui caractérise la microstructure et l'orientation des grains dans les matériaux polycristallins en trois dimensions (3D). En la combinant avec la tomographe par contraste de phase. Il est pour la première fois possible d'observer in situ la propagation 3D des fissures de fatigue courtes au sein d'un ensemble de grains entièrement caractérisé (orientation et forme). L'approche combinée, appelée « tomographie tri-dimensionnelle par rayons X des fissures courtes et de la microstructure »(T3DXFM), a été développée sur l’alliage de titane métastable "Beta21S". Une grande partie de ce travail porte sur le développement de la méthodologie T3DXFM. Dans le jeu de données combinées, chaque point de la surface de rupture 3D peut être associé à une structure de données multidimensionnelle contenant des variables décrivant l'orientation des grains, l'orientation locale de la surface de rupture ainsi que l'histoire de la propagation. La méthode utilise un maillage de surface composé de triangles qui décrit la fissure (en d'autres termes: la surface de rupture) dans l'état de propagation mesuré au dernier cycle de fatigue réalisé. Les orientations des grains, les différents fronts de la fissure, les vitesses de croissance locales ainsi que les joints de grains peuvent être visualisés en attribuant des couleurs à ce maillage. Des outils d'extraction des figures de pôle ont été créés et mis en œuvre. Un algorithme a été développé qui est capable de mesurer la vitesse de propagation locale 30 d'une fissure contenant des branchements. / X-Ray Diffraction Contrast Tomography (DCT) is a recently developed, non-destructive synchrotron imaging technique which characterizes microstructure and grain orientation in polycrystalline materials in three dimensions (3D). By combining it with propagation based phase contrast tomography (PCT) it is for the first lime possible to observe in situ the 3D propagation behavior of short fatigue cracks (SFCs) within a set of fully characterized grains (orientation and shape). The combined approach, termed 3D X-ray Tomography of short cracks and Microstructure (3DXTSM), has been developed on the metastable beta titanium alloy "Beta21S". A large part of this work deals with the development of the 3DXTSM methodology. In the combined dataset, each point on the 3D fracture surface can be associated with a multidimensional data structure containing variables describing the grain orientation, the local fracture surface normal and the propagation history. The method uses a surface mesh composed of triangles that describes the crack (in other words: the fracture surface) in the last propagation state measured. Grain orientations, crack fronts, local growth rates and grain boundaries can be visualized by assigning colors to this mesh. The data structure can be interrogated in a number of different ways. Tools for extracting pole figures and pole density distribution functions have been implemented. An algorithm was developed that is capable of measuring the 3D local growth rate of a crack containing branches. The accuracy of the grain boundaries as reconstructed with OCT was evaluated and the elastic constants of Beta21S were determined.

Ce mémoire présente une méthode mise au point pour caractériser et analyser des fissures de fatigue présentant un fort caractère tridimensionnel dans des matériaux métalliques opaques. L'analyse consiste à déterminer avec précision la position du front de la fissure étudiée et à mesurer des valeurs de facteurs d'intensité des contraintes le long du front par projection sur les séries de Williams du champ de déplacement issu de la corrélation numérique d'images 3D obtenues par tomographie aux rayons X. La corrélation d'images 3D numériques est utilisée afin de mesurer le champ de déplacement en volume lors de la mise sous chargement d'une éprouvette fissurée fatiguée. La corrélation d'images nécessitant un mouchetis, le matériau retenu pour les expériences est la fonte à graphite sphéroïdal car il présente un mouchetis 3D naturel (les nodules de graphites) parfaitement imagé par tomographie aux rayons X. Le cyclage est appliqué à l'aide d'une machine de fatigue in situ permettant d'alterner des phases de propagation de la fissure avec des acquisitions tomographiques sous différentes charges. L'introduction d'un défaut artificiel (une entaille obtenue par usinage laser) permet de maîtriser l'amorçage et la propagation de la fissure in situ. La méthode de corrélation d'images 3D numériques employée dans ces travaux étant basée sur des éléments finis, nous avons cherché à tirer profit de différents outils développés dans le cadre de cette méthode. Les surfaces libres sont spécifiées afin de bien conditionner le maillage et un enrichissement dans l'esprit des X-FEM permet de renseigner la fissure dont la position est repérée grâce à la trace laissée dans le résidu de corrélation entre l'image avant cyclage et la dernière image acquise. Une régularisation mécanique est également introduite dans le calcul sous forme d'un filtre de longueur d'onde choisie. Le champ de déplacement mesuré avec précision est ensuite projeté sur les séries de Williams augmentées des termes correctifs de Leblond et Torlai qui prennent en compte la courbure du front de la fissure. L'annulation du terme super-singulier d'ordre -1 des séries de Williams est utilisée pour détecter la position du front de la fissure. Une procédure itérative a été mise en place afin de concilier l'enrichissement et la courbure du front avec la projection sur les séries de Williams. Une fois la position du front 3D de la fissure déterminée et les valeurs des facteurs d'intensité des contraintes associées calculées, les résultats obtenus sont confrontés à la littérature. / This manuscript describes a methodology used to compute Stress Intensity Factor values along the curved front of a fatigue crack inside a nodular cast iron. An artificial defect is introduced at the surface of a small sample. The initiation and growth of a fatigue crack from this defect during constant amplitude cycling is monitored in situ by laboratory x-ray tomography. The method for processing the 3D images in order to compute SIF values is described in detail. The results obtained show variations of the stress intensity factor values along the crack front.

L’excellente coulabilité, les coûts de production relativement bas, et ratio poids/résistance mécanique élevé des alliages de fonderie Al-Si-Mg en font une des solutions les plus intéressantes dans le secteur automobile ainsi que dans le domaine aérospatial. Toutefois, il est bien connu que la durée de vie de ces composants moulés à grand nombre de cycles (105 < Nf < 107 cycles) est sévèrement réduite lorsque des défauts de fonderie (notamment pores et oxydes) sont débouchants et/ou subsurfaciques sont présents. Ces défauts concentrent les contraintes et peuvent considérablement réduire la période d’amorçage des fissures de fatigue en fonction de leur taille, forme et des caractéristiques microstructurales du matériau. Les défauts internes (à partir desquels les fissures peuvent amorcer et propager sans interaction avec l’air ambiant) ainsi que les défauts de surface (ceux qui sont placés à la surface et en contact direct avec l’air ambiant) vont également nuire la durée de vie des composants moulés. Toutefois, dans le cas des défauts internes, les coefficients de sécurité préconisés par les règles de conception ne font pas intervenir la distance de défaut par rapport à la surface. Le suivi de fissures de fatigue effectué à la surface d’éprouvettes macroscopiques de traction indique que la présence d’un défaut avec une taille supérieure à celle des fissures microstructuralement courtes (√A ≈ 500 μm, taille contrôlée par la SDAS) produit une remarquable réduction de la durée vie. En revanche, la durée de vie n’est pas affectée lorsqu’un défaut plus petit (√A ≈ 300 μm) est présent à la surface car l’amorçage et les premiers stades de propagation sont encore influencés par la SDAS. Les essais de fatigue en torsion pure montrent que la morphologie des surfaces de rupture est fortement influencée par le niveau de contrainte. De plus, le nombre de cycles à l’amorçage est réduit par rapport à la traction. Cet amorçage est multi-site et plusieurs fissures peuvent croitre simultanément au cours de la durée de vie d’une éprouvette, la rupture finale se produisant lors de la jonction de certaines de ces fissures. La propagation des fissures en torsion est largement influencée par la cristallographie locale et les retassures ne semblent pas être des sites de nucléation préférentiels. Les durées de vie odes échantillons macroscopiques contenant défauts artificiel internes (Øeq ≈ 2 mm) sont pratiquement similaires à celles obtenues avec un matériau de référence. L’amorçage et la propagation de fissures internes a été rarement observé lors des expériences de tomographie synchrotron. Dans les rares cas où de telles fissures ont pu être observées, le chemin de fissuration semble fortement influencé par la cristallographie alors que les fissures amorcées depuis la surface se propagent globalement en mode I. La vitesse de propagation des fissures internes est très inférieure à celle des fissures se propageant à partir de la surface. / The excellent castability, relatively low production costs, and high strength to weight ratios make Al-Si-Mg cast alloys an attractive choice for use in cheaper and lighter engineering components, in both automotive and aerospace industries. However, it is well known that High Cycle Fatigue (HCF) lives (105 < Nf < 107 cycles) of cast components are severely reduced when casting defects (notably pores and oxides) are present at the free surface or subsurface. They act as stress raisers which can considerably reduce the crack incubation period depending on their size, shape and the microstructural features of the surrounding material. Internal casting defects are of special interest to this work. The application of safety coefficients considers that all casting defects present in a component have the same deleterious effect and no attention is paid, for example, to their distance to the free surface. In other words, internal defects (corresponding to the case where the depth of the defect allows crack nucleation and propagation to essentially occur without interaction with the air environment) are considered as damaging to fatigue life as surface defects (those placed at the free surface and in contact with the air environment). Surface crack monitoring performed on uniaxial fatigue specimens indicates that the presence of a surface microshrinkage exceeding the size of microstructurally small cracks (√A ≈ 500 μm, controlled by the SDAS) readily nucleates a fatigue cracks producing steady crack propagation and remarkable reduction in the expected fatigue life. A smaller surface defect (√A ≈ 300 μm) nucleated a crack that did not reduced the expected fatigue life as in this case early stages of propagation are still nfluenced by the SDAS. Pure torsional cycling reveals that the morphology of fracture surfaces is highly influenced by the stress level. In general, torsional fatigue behaviour is described by having reduced (with respect to uniaxial testing) and multisite crack nucleation periods. Several dominant cracks can evolve simultaneously and the final failure occurs by the linkage of some of those cracks. Crack propagation is controlled by the crystallography and pores do not appear to be preferential nucleation sites. S-N curves show that macroscopic specimens containing Øeq ≈ 2 mm internal artificial defect produce similar fatigue lives to those obtained with a defect-free material. Internal crack nucleation was rarely observed during synchrotron tomography experiments; instead the fatal cracks initiated from much smaller surface defects. Tomographic images show that, in the case of internal propagation, crystallographic paths are formed while surface cracks propagate in mode I. The crack growth rate of internal cracks is much smaller than that of cracks propagating from the free surface.