L’industrie automobile est confrontée à la problématique de dimensionnement en fatigue de pièces structurelles en polymères thermoplastiques. En effet, de nombreux facteurs liés à l’environnement ou aux conditions de service influencent la tenue en fatigue. Les campagnes d’essais en fatigue classiquement menées sont longues (1 mois pour une condition donnée). L’objectif de cette thèse est d’accélérer la caractérisation en fatigue de ce type de matériau en utilisant des essais d’auto-échauffement. Une première analyse empirique est démontrée possible et permet d’estimer l’endurance limitée à 106 cycles. L’analyse des indicateurs mécaniques et de l’évolution de la microstructure (MEB et Micro-tomographie rayon X) durant les paliers de chargements confirme l’existence d’un seuil correspondant à cette endurance limitée. Dans un second temps, une méthode est proposée en associant un critère énergétique à la courbe d’auto-échauffement complète afin de prédire en moins de 2 jours une courbe de Wöhler déterministe. Ce critère est confronté à l’étude de facteur influent telle la géométrie de l’échantillon ou la reprise en eau du matériau. Une courbe unifiée reliant l’énergie dissipée par cycle au nombre de cycles à la rupture est proposée. Enfin, la méthode est appliquée avec succès à l’étude de structures. / Designing short fibers reinforced thermoplastics (SFRP) components is now a major concern for the automotive industry. This task is difficult because of the numerous factors affecting the fatigue lifetime coupled to long fatigue campaigns (usually a month for a given experimental condition).The objective of this thesis is to apply a heat built-up protocol on a SFRP used for structural automotive applications (PA66GF50, a polyamide filled with 50% of glass fiber in mass) to predict quickly the fatigue properties from temperature measurements. A heat build-up protocol developed for metallic materials has been used to speed up the fatigue characterization of PA66GF50. The life time estimation given by a first rough analysis is compared successfully to the fatigue curve obtained from a classical campaign. To understand what is caught from the thermal measurements, the evolution of the microstructure throughout the heat build-up test was investigated by X-ray micro-tomography and SEM and compared to the evolution of the mechanical features. In order to provide a relation between the full heat build-up curve and the Wohler curve, the dissipated energy is then evaluated from the thermal measurements and the parameters of an energetic fatigue criterion are identified from the results obtained from one single sample. The fatigue curve predicted from the heat build-up curve and obtained in 2 days, is compared to the one obtained from a classical fatigue campaign and the agreement is very good. The energy based criterion as well as the identification of the dissipation sources from the temperature measurements are finally challenged by an experimental campaign achieved on a sample with a different geometry and different water content. Dissipated energy curve seems unified results. Finally, the method is applied to the study of the lifetime of structures.

L’allégement des véhicules est une préoccupation majeure de l’industrie automobile, puisque cela permet de réduire les émissions des gaz à effet de serre, ce qui entraînerait une réduction des impacts de ceux-ci sur l’environnement à l’échelle mondiale. Cette volonté d’allégement des véhicules tout en restant accessible en termes de coûts, a conduit au remplacement des matériaux métalliques par des composites à matrices thermoplastiques pour de nombreuses applications. Le compromis entre la tenue thermomécanique et le coût massique du matériau amène à sélectionner des matrices polyamides renforcées par des fibres de verre courtes, et mises en forme par injection. Cependant, les outils prédictifs du comportement et les critères robustes pour la caractérisation des propriétés en fatigue, manquent encore. Ils sont pourtant indispensables pour la conception de pièces structurelles dans l’industrie automobile. La caractérisation en fatigue des polyamides renforcés de fibres de verre courtes présente de nombreuses difficultés, liées au comportement fortement non linéaire de la matrice dans les conditions de service visées (température et humidité), à la nature composite de ces matériaux, à l’influence du procédé de fabrication (orientation des fibres) et au caractère fortement dissipatif de la matrice thermoplastique (augmentations de température non négligeables lors des chargements cycliques). Un enjeu majeur est de comprendre les liens entre la microstructure, le chargement thermo-(hygro)-mécanique et les propriétés de fatigue (sites d’initiation, scénarios d’évolution, critère de rupture). Le premier objectif de cette thèse est de proposer des protocoles d’analyse permettant de caractériser l’influence de chaque paramètre sur le comportement en fatigue. Par ailleurs, la complexité des pièces industrielles en termes de géométrie et d’orientation des fibres soulève la question de la pertinence des éprouvettes classiques. Le second objectif principal de cette thèse est donc de concevoir des éprouvettes représentatives en terme d’orientation des fibres et d’accidents géométriques des pièces industrielles (appelées éprouvettes de structure) et de valider pour ces cas complexes, les démarches et critères proposés. Pour répondre à ces objectifs, nous souhaitons proposer un protocole basé sur des mesures d’auto-échauffement, qui donnerait accès d’une part aux champs d’énergie dissipée pour les cas hétérogènes investigués et qui offrirait, d’autre part, une opportunité de caractérisation rapide des propriétés en fatigue au travers de critères énergétiques / Vehicle weight reduction is a major issue in the automotive industry, because this contributes to reducing global warming emissions, resulting in a reduction of negative environmental impacts at the worldwide scale. To replace heavy metallic materials conventionally used, short fiber reinforced thermoplastics (SFRT) provide today a major opportunity to obtain lightweight automotive parts at a reasonable cost for several applications. The cost and the thermomechanical properties motivate the choice of polyamide matrix reinforced with glass fibers manufactured by injection molding. However, predictive modeling behavior tools and robust fatigue criteria must be identified. Both are needed for the design of structural pieces in the automotive industry. The fatigue design of SFRT components for structural applications in the automotive industry requires an accurate knowledge of several factors because the material features are complex, these features are related to the strong nonlinear behavior of the matrix under the service conditions (temperature and humidity), the composite nature of the material, the influence of the injection molding (fiber orientation) and the dissipative characteristics of the thermoplastic matrix (significant temperature rise during the cyclic loadings). A major issue is to understand the relations between the microstructure, the thermo-hydro-mechanical loading and the fatigue properties (fatigue initiation sites, evolution scenarios, and failure criterion). The first objective of this thesis is to suggest methods that allow for the characterization of the influence of each parameter on the fatigue behavior. Furthermore, the complexity of the industrial pieces in terms of geometry and fiber orientation challenges the relevancy of the classical samples. The second objective of this thesis is consequently to design more complex samples that intend to be representative in terms of fiber orientation and geometric details found in the industrial pieces (called structural samples) and to validate the methods and the fatigue criteria suggested for these complex cases. To achieve these objectives, a method based on thermal measurements giving access to the dissipation fields for the heterogeneous cases considered is proposed, this method also offers a very high reduction of the characterization duration of the fatigue properties through energetic criteria

Cette étude présente la caractérisation du comportement mécanique et la tenue en fatigue d’un composite thermoplastique à matrice PEEK renforcée en fibres de carbone courtes pour des applications aéronautiques. La première partie présente la description des matériaux étudiés ainsi que la mise en place d’un protocole de caractérisation de la microstructure. Il est alors mis en avant la nécessité de générer des éprouvettes de caractérisation simples en introduisant le concept d’éprouvettes amincies. Dans un second temps, la méthode d’auto-échauffement en régime transitoire est appliquée en concluant sur l’influence de différents paramètres sur le bilan énergétique tels que la microstructure ou le grade du matériau étudié. La troisième partie présente l’établissement d’une loi de comportement phénoménologique avec une prise en compte locale de l’anisotropie par des approches micromécaniques classiques. Les simulations mécanique et énergétique donnent des résultats corrélant très bien avec l’expérimentale pour une distribution d’orientation proche de 0° et des résultats moins convaincants pour une distribution d’orientation proche de 90°. La dernière partie présente l’utilisation d’un protocole de caractérisation rapide basé sur les essais d’auto-échauffement. Cette approche, validée pour les différents matériaux étudiés, permet de prédire la courbe d’endurance en fatigue déterministe avec une seule éprouvette et en une demi-journée d’essais. Il est également mis en évidence qu’un critère énergétique à deux paramètres est indépendant de la distribution d’orientation, et qu’il est possible de discriminer rapidement en fatigue les différents matériaux étudiés. / This study deals with characterization of the mechanical behavior and the fatigue lifetime of a short carbon fibers reinforced PEEKmatrix thermoplastic composite. The first part presents the description of the materials studied and the implementation of the characterization of the microstructure. It’s then emphasized the need to generate simple characterization samples by introducing the concept of thin specimens. In a second step, the heat build-up protocol is applied on the studied materials. It is then highligthed the influence on the energetic assessment of various parameters as the microstructure or the choice of material. The third part presents the etablishment of a phenomenological law of behavior with a local consideration of anisotropy using conventional micromechanical approaches. The mechanical and energetic simulations give resultats correlating very well with the experimental ones for a distribution of orientation close to 0°. The last part presents the use of the heat build-up technique to predict the fatigue lifetime. This approach uses an energetic criterion with two parameters and is able to predict the deterministic fatigue curve with one sample, in half a day. It is then shown the capability to catch the influence of the variations of matrix grade and fibers content on the fatigue properties and validates the use of the technique for fastmaterials screening.