Cette thèse s’inscrit dans le cadre général de l’étude de la tolérance au dommage des pièces tournantes dans les turbomachines d’hélicoptères et porte sur la résistance à la propagation de fissures courtes 2D.Pour mener à bien cette étude, l’effet de la température est d’abord étudié sur les seuils de propagation de fissures longues à R=0,1 sur deux alliages TA6V et Ti6242 de microstructure bimodale (20°C et 400°C pour le TA6V et 20°C, 200°C et 500°C pour le Ti6242). Au voisinage du seuil, le comportement effectif(après correction de la fermeture) est sensiblement identique pour les deux alliages aux températures testées. La fermeture est principalement induite par l’oxyde à haute température et par la rugosité des surfaces de rupture à température ambiante.L’évolution du seuil de propagation en fonction de la longueur de fissure a ensuite été étudiée à R=0,1. Un outil de détermination automatique du niveau de fermeture a été mis en place afin d’améliorer la mesure pour des fissures très courtes (80 μm). La fermeture mesurée pour différentes longueurs de fissure obtenues par usinage progressif du sillage plastique est comparable à celle obtenue au cours de la propagation d’une fissure courte 2D au seuil, sauf pour les hautes températures où la fermeture induite par l’oxyde se développe rapidement. Les différences de comportement entre fissure longue et fissure courte sont expliquées par une contribution réduite de la fermeture lorsque le sillage de la fissure est réduit.Un critère de non-propagation s’inspirant du formalisme initialement proposé par Kitagawa et une loi de propagation adaptée permettent de mieux prédire la résistance à la propagation des fissures physiquement courtes. / Damage tolerance analyses of rotating parts, containing 2D-short crack, in turbomachines of helicopters is the main focus of this thesis.Fatigue crack propagation tests were performed at R=0.1 on two bimodal Titanium alloys at different temperatures (20°C and 400°C for TA6V and 20°C, 200°C and 500°C for Ti6242). Near-threshold effective behaviors (after crack closure correction) were approximately the same for the two alloys attested temperatures. Crack closure was principally due to oxide layer at high temperatures and to fracture surface roughness at ambient temperature.Then the variations of the crack propagation threshold with crack length was studied at R=0.1 and different temperatures. A numerical tool was developed to automatically detect crack closure level more precisely for, as short as, 80μm cracks. Crack closure levels measured at different crack lengths obtained from progressive machining of the plastic wake were quite similar to the ones obtained during propagation of 2D-short cracks near the threshold, except at high temperatures where oxide-induced crack closure developed rapidly. Differences in behavior of long cracks and short cracks were explained by a reduction of crack closure level when crack wake was not fully developed.A non-propagation criterion based on formalism initially proposed by Kitagawa and a modified-Paris propagation law allow to give a better description of physically 2D-short crack propagation resistance.

L’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier l’influence du rapport entre taille de défaut et longueur caractéristique de la microstructure, sur la limite de fatigue pour une durée de vie fixée d’un matériaux métallique,dans le cadre de la fatigue à grand nombre de cycle (FGNC). Le fer pur Armco est choisi comme matériau d’étude, car sa microstructure simple présente une seule longueur caractéristique à l’échelle mésoscopique (échelle des grains) : la taille de grain. Le but de l’étude revient ainsi à étudier la compétition entre un effet de structure (défaut surfacique)et un effet matériau (taille de grain) dans le cadre de sollicitations mécaniques en FGNC.Afin d’obtenir une taille de défaut comparable mais aussi inférieure à la taille de grain du matériau, un protocole thermomécanique a été élaboré pour augmenter la taille de grain. Des essais de FGNC, utilisant des éprouvettes issues des deux tailles de microstructures (matériau initial et celui écroui traité) dans lesquelles sont introduits des défauts hémisphériques de tailles différentes, ont été effectués pour estimer les limites de fatigue pour différents rapports taille de défaut / taille de grain. Lorsque les diagrammes de Kitagawa sont présentés en valeurs relatives(limite de fatigue / celle du matériau sans défaut en fonction de la taille de défaut / taille de grain), il existe une seule courbe qui combine les deux microstructures. Ce diagramme de Kitagawa sans dimension permet ainsi d’analyser la réduction de la limite de fatigue causée par un défaut. L’utilisation de la taille relative du défaut par rapport à la dimension microstructurale caractéristique apparaît comme plus pertinente que l’emploi de la taille physique réelle du défaut.Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour reproduire les essais en FGNC avec des simulations Éléments Finis sur des microstructures 3D représentatives du fer Armco. La compétition existant entre la concentration de contrainte induite par le défaut géométrique et les régions fortement sollicitées de la microstructure engendrées parl’anisotropie du comportement mécanique des grains est étudiée. Un critère mésoscopique (à partir des grandeurs mécaniques moyennées par grain) basé sur une approche statistique permet de retrouver l’allure du diagramme de Kitagawa adimensionné, c’est-à-dire la taille relative du défaut critique à partir de laquelle ce dernier prend le passur l’hétérogénéité de la réponse de la microstructure et conditionne ainsi la tenue en fatigue du polycristal. La modification du critère mésoscopique par la prise en compte des hétérogénéités intragranulaires (via l’écart-type par grain des grandeurs mécaniques) est discutée. / The objective of this thesis is to study the influence of the ratio between the defect size and themicrostructure characteristic length on the fatigue limit (for a fixed fatigue life) of a metallic material, under highcycle fatigue (HCF). Pure Armco iron is chosen because its simple microstructure has a single characteristic lengthat the mesoscopic scale (grain scale) : the grain size. The aim of the study is thus to study the competition betweena structural effect (surface defect) and a material effect (grain size) in the context of mechanical stresses in HCF.In order to obtain a comparable different grain size, a thermomechanical protocol has been developed. HCF tests,using specimens from both microstructure sizes (initial material and processed hardened material) in which hemisphericaldefects of different sizes were introduced, were performed to estimate the fatigue limits for different defectsize / grain size ratios. When Kitagawa diagrams are presented in relative values (fatigue limit / fatigue limit ofdefect free material versus defect size / grain size), there is a single curve that combines the two microstructures.This dimensionless Kitagawa diagram thus makes it possible to analyze the reduction of the fatigue limit inducedby a defect. The use of the relative size of the defect with respect to the characteristic microstructural dimensionappears to be more relevant than the use of the physical size of the defect.These experimental results are used to reproduce the HCF tests with Finite Element simulations on 3D microstructuresrepresentative of Armco iron. The competition existing between the stress concentration induced by thegeometrical defect and the highly stressed regions of the microstructure generated by the anisotropy of the mechanicalbehavior of the grains is studied. A mesoscopic criterion (involving mechanical quantities averaged by grain)based on a statistical approach allows to find the evolution of the dimensionless Kitagawa diagram, ie the relativesize of the critical defect from which it predominates over the response heterogeneity of the microstructure and thusgoverns the fatigue behavior of the polycrystal. The modification of the mesoscopic criterion by taking into accountintragranular heterogeneities (with the standard deviation per grain of mechanical quantities) is discussed.