La rupture en fatigue à grand nombre de cycles est une des sources de défaillance les plus fréquentes pour des pièces en service. Dans le cas des aciers, l'endommagement par fatigue trouve ses origines microstructurales dans des mécanismes liés aux mouvements des dislocations. L'objectif du présent travail est de comprendre les multiples interactions entre la microstructure et la dissipation intrinsèque induite par les mouvements de dislocations puisque limiter la dissipation semble permettre d'améliorer la limite de fatigue. L'estimation expérimentale de la dissipation intrinsèque à partir de la température nécessite une formulation de l'équation de la chaleur qui découle d'hypothèses relatives aux sources de chaleur et aux moyens de mesure. L'outil expérimental permet de mettre en place un modèle micro-macro qui décrit les multiples interactions entre les phénomènes dissipatifs et la microstructure. La dissipation lors de sollicitations cycliques est supposée être soit liée à la courbure des lignes de dislocations (anélasticité) soit due au glissement viscoplastique des dislocations (inélasticité). L'utilisation du cadre de la plasticité cristalline aboutit à une description physique de ces mécanismes et le modèle de transition d'échelle, développé pour tenir compte des différents ordres de dérivation qui interviennent dans la loi de comportement locale, permet de considérer la nature hétérogène des aciers. Une procédure d'identification des paramètres basée sur les courbes de comportement oligocyclique est ensuite proposée et donne des résultats satisfaisants. Finalement, le modèle est principalement utilisé afin de prévoir le rôle divers paramètres relatifs au chargement ou à la microstructure sur les courbes d'échauffement.

Résumé : Cette étude a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes précurseurs de l'amorçage de fissures dans le cas de métaux ductiles monophasés, comme le cuivre pur, sollicités à des amplitudes de contrainte inférieures à la limite de fatigue conventionnelle et jusqu'à des nombres de cycles atteignant le domaine de la fatigue gigacyclique (Very High Cycle Fatigue, VHCF). Les essais ont été réalisés sur une machine de fatigue ultrasonique à une fréquence de sollicitation de 20 kHz. Les mécanismes précurseurs de l'amorçage des fissures se manifestent (1) sous forme de bandes de glissement qui apparaissent sur la surface de l'éprouvette et (2) par un auto-échauffement du matériau dû à la dissipation intrinsèque. Les cartographies de température de la surface des éprouvettes nous ont permis d'estimer des dissipations d'énergie moyennes et de caractériser leur évolution avec le nombre de cycles et l'amplitude de contraintes. En parallèle, l'évolution du relief de la surface, initialement lisse et sans contrainte résiduelle, a été analysée à partir d'observations en microcopie optique, électronique à balayage et à force atomique. Nous avons établi que l'amplitude de contrainte nécessaire pour faire apparaître les premières bandes décroit en fonction du nombre de cycles. Des analyses EBSD, couplées à des calculs éléments finis intégrant l'anisotropie élastique des grains, ont révélé le rôle clé (1) des joints de macles et (2) du glissement dévié dans l'amorçage de bandes de glissement intenses.Mots clés : Fatigue gigacyclique, Bandes de glissement, Microplasticité cyclique, Dissipation, Anisotropie élastique, Simulation multicristalline, Thermographique infrarouge.

L'utilisation de la température comme variable d'état dans les études de comportement des matériaux, bien que prometteuse, est rarement adoptée. Les difficultés métrologiques expérimentales qui apparaissent, en particulier dans le contexte de la fatigue à grand nombre de cycles, expliquent en partie ce délaissement. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie expérimentale suffisamment sensible pour détecter les variations d'énergie thermique dissipée lors de la déformation cyclique d'un matériau à des niveaux de contraintes inférieurs à la limite élastique macroscopique. Elle consiste à déterminer les différents termes de l'équation de la chaleur en partant du champ de température acquis à l'aide d'une caméra infrarouge. L'écart type du bruit global de la méthode est de 1 mK.s-1, exprimé en vitesse d'échauffement. Cette résolution est obtenue grâce à un certain nombre de précautions expérimentales, à la prise en compte de l'ensemble des échanges thermiques et à un traitement simple mettant à profit les caractéristiques de la caméra infrarouge matricielle. La procédure expérimentale développée est testée sur un acier à très bas carbone et un aluminium A5. Elle permet en particulier de suivre la dissipation thermique due à l'adaptation microplastique du matériau aux premiers cycles de sollicitations et de distinguer les seuils de passage d'un comportement élastique à viscoélastique puis microplastique. Les performances obtenues devraient permettre de lever une partie des verrous limitant le choix de la température comme variable d'observation du comportement des matériaux.

Cette étude vise à modéliser les mécanismes d'endommagement sous chargements multiaxiaux en Fatigue à Grand Nombre de Cycles (FGNC). Le rôle des hétérogénéités microstructurales introduites en particulier par le procédé d'Usinage Assisté Laser fait l'objet d'une attention particulière. On propose de tenir compte de l'aspect dispersé des données en fatigue à l'aide d'une approche de type plan critique et d'un modèle à deux échelles. Plus précisément, une approche probabiliste de type Weibull est d'abord introduite pour prendre en compte le rôle des hétérogénéités microstructurales sur le comportement en fatigue à l'échelle macroscopique. Une deuxième partie de l'étude concerne l'utilisation d'un modèle de couplage plasticité - endommagement à l'échelle mésoscopique afin de refléter les effets de cumul d'endommagement observés en FGNC. Les prédictions des deux approches sont confrontées à des données expérimentales relatives à des chargements complexes (traction biaxiale, traction-torsion hors phase, asynchrone ou encore chargement d'amplitude variable). On montre un très bon comportement d'ensemble ainsi que la possibilité d'associer les deux modélisations pour obtenir une loi d'endommagement probabiliste dont une application directe est l'obtention de courbes P-S-N (Probabilité-Contrainte-Nombre de cycles) pour n'importe quel type de chargement. La dernière partie du travail est consacrée à l'étude de l'interaction entre un procédé d'usinage par assistance Laser (UAL) et la tenue en fatigue des composants métalliques obtenus (acier et alliage de titane). Le rôle des caractéristiques d'intégrité de surface (la microstructure, l'écrouissage, les contraintes résiduelles, l'état de surface

Cette étude qui s'inscrit dans le cadre d'un projet ANR traitant du comportement en fatigue des pièces forgées a pour objectif, d'une part, de comprendre les effets des hétérogénéités microstructurales issues de la phase de mise en œuvre sur les mécanismes d'endommagement en fatigue, et d'autre part, de proposer un critère d'endurance anisotrope adapté à la spécificité des composants mécaniques forgés. Dans une première partie, l'analyse des effets des procédés de déformation plastique (forgeage et laminage) sur la tenue en fatigue des composants métalliques obtenus est abordée. A partir de différentes campagnes d'essai, le comportement anisotrope en Fatigue à Grand Nombre de Cycles (FGNC) de différents aciers est caractérisé. Une attention particulière est portée à la description et à l'analyse des mécanismes d'endommagement en FGNC. Les effets de la microstructure et du contenu inclusionnaire sur les mécanismes d'endommagement sont particulièrement analysés. Des essais d'auto-échauffement sont également menés afin de tester l'utilisation de ces méthodes de caractérisation des propriétés en fatigue dites rapides dans le cas d'acier dont le comportement en fatigue est anisotrope. Un critère de fatigue probabiliste anisotrope est ensuite proposé. Basé sur l'hypothèse du maillon le plus faible, il permet d'exprimer de façon simple la compétition possible entre différents types de mécanismes. Le critère obtenu est adapté pour les matériaux contenant ou non des défauts et les prévisions peuvent être entre autres illustrées par le tracé d'un diagramme de Kitagawa probabiliste. Grâce à ce nouveau critère, des paramètres microstructuraux issus de l'opération de mise en forme peuvent être intégrés dans le calcul de dimensionnement en fatigue. Une optimisation de la préforme du composant ou des paramètres de mise en forme peut dès lors être envisagée.

Cette thèse s'est focalisée sur un matériau cellulaire métallique modèle, dans le but de fournir à la fois un matériau candidat et des outils de conception d'un revêtement acoustique pour les tuyères de turbomachines. Le problème d'absorption acoustique a conduit à discuter une modélisation analytique descriptive disponible dans la littérature, puis à introduire une technique numérique permettant de prédire les propriétés acoustiques d'un matériau poreux. Pour répondre au besoin industriel de tenue structurale, les propriétés élastiques du matériau ont été calculées numériquement, et l'on a proposé une approche numérique de la microplasticité. Enfin, les outils numériques ainsi réalisés ont été utilisés dans un problème simplifié de conception et d'optimisation de revêtement acoustique.

Le lien empirique entre rupture par fatigue à grand nombre de cycles et essai d'auto-échauffement permet de prévoir rapidement les caractéristiques de fatigue de nombreux matériaux depuis quelques années. Au delà de cette relation empirique, un modèle rationnel basé sur l'apparition probabiliste de foyers de microplasticité a déjà été proposé, donnant une estimation de la dispersion des essais de fatigue. Fort de ceci, le cadre d'application de ce modèle est ici étendu aux chargements multiaxiaux dans un premier temps. Pour cela des essais d'auto-échauffement de traction-torsion sur éprouvettes tubulaires sont réalisés pour valider thermiquement deux versions du modèle. Un facteur d'hétérogénéité de dissipation est introduit pour s'affranchir de la géométrie des éprouvettes. L'influence de la contrainte moyenne de cisaillement sur les courbes d'auto-échauffement est étudiée. Des essais de fatigue multiaxiale différencient par la suite le domaine de validité des deux versions du modèle. Dans un second temps les effets de surface sur tôle sont étudiés par essai d'auto-échauffement. La mesure de la température moyenne des tôles ne permettant pas de retrouver les caractéristiques de fatigue, une mesure du champ de température dans l'épaisseur de la tôle est proposée. L'ensemble du protocole de mesure par micro-thermographie IR in situ est choisi afin de réduire voire supprimer différents artefacts. Il permet de mesurer des amplitudes d'hétérogénéité de température stabilisée de l'ordre de 10-3 K à une échelle submillimétrique. Appliqué aux tôles étudiées, il permet de mettre à jour l'existence d'effets de surface.

Résumé : Cette étude a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes précurseurs de l'amorçage de fissures dans le cas de métaux ductiles monophasés, comme le cuivre pur, sollicités à des amplitudes de contrainte inférieures à la limite de fatigue conventionnelle et jusqu'à des nombres de cycles atteignant le domaine de la fatigue gigacyclique (Very High Cycle Fatigue, VHCF). Les essais ont été réalisés sur une machine de fatigue ultrasonique à une fréquence de sollicitation de 20 kHz. Les mécanismes précurseurs de l'amorçage des fissures se manifestent (1) sous forme de bandes de glissement qui apparaissent sur la surface de l'éprouvette et (2) par un auto-échauffement du matériau dû à la dissipation intrinsèque. Les cartographies de température de la surface des éprouvettes nous ont permis d'estimer des dissipations d'énergie moyennes et de caractériser leur évolution avec le nombre de cycles et l'amplitude de contraintes. En parallèle, l'évolution du relief de la surface, initialement lisse et sans contrainte résiduelle, a été analysée à partir d'observations en microcopie optique, électronique à balayage et à force atomique. Nous avons établi que l'amplitude de contrainte nécessaire pour faire apparaître les premières bandes décroit en fonction du nombre de cycles. Des analyses EBSD, couplées à des calculs éléments finis intégrant l'anisotropie élastique des grains, ont révélé le rôle clé (1) des joints de macles et (2) du glissement dévié dans l'amorçage de bandes de glissement intenses.Mots clés : Fatigue gigacyclique, Bandes de glissement, Microplasticité cyclique, Dissipation, Anisotropie élastique, Simulation multicristalline, Thermographique infrarouge. / Abstract : This work aims to better understanding mechanisms leading to crack initiation in ductile single phase metals such as pure copper, loaded stress amplitudes lower than the conventional fatigue threshold and after about 109 cycles, the so-called Very High Cycle Fatigue regime. Tests were conducted using an ultrasonic technique at loafing frequency of 20 kHz. The mechanisms leading to crack initiation express (1) via slip bands at the specimen surface and (2) via self-heating due to intrinsic dissipation. Thermal maps were used to estimate the mean dissipation and its change with number of cycles and stress amplitudes. At the same time, the surface relief changes were characterized using optical, scanning electronic and atomic force microscopes. The stress amplitude required to observe the slip bands was found to decrease as a function of number of cycles. EBSD investigations combined with finites elements simulations accounting for elastic anisotropy of copper revealed the key role of (1) twin boundaries and (2) cross slip in slip band initiation.Keywords : Very High Cycle Fatigue, Slip bands, Cyclic microplasticity, Dissipation, Elastic anisotropy, Multicrystals simulation, Infrared thermography.

Ces travaux de thèse traitent des effets des fortes contraintes hydrostatiques sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles des matériaux métalliques. Il s'agit d'étudier, d'une part, l'effet de la contrainte moyenne (et plus particulièrement des fortes contraintes moyennes ou forts rapports de charge) et, d'autre part, l'effet de la biaxialité. Dans une première partie, une campagne d'essais importante est réalisée sur deux matériaux, un alliage d'aluminium de fonderie AlSi7Cu05Mg03 et un alliage d'aluminium corroyé 2024-O. L'effet de la contrainte moyenne et de la biaxialité (dans le cas de chargement de traction biaxiale) sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) des matériaux est caractérisé. Une attention particulière est portée à la description et à l'analyse des mécanismes d'endommagement. Une étude des modélisations existantes dans la littérature est réalisée visant à donner un aperçu sur leurs capacités à prendre en compte les effets des fortes contraintes hydrostatiques. Une modélisation adéquate est ensuite proposée pour le cas particulier de l'alliage d'aluminium de fonderie étudié. Basé sur une approche probabiliste, elle permet de refléter la compétition entre les différents mécanismes d'endommagement locaux observés et de rendre compte efficacement des effets de moyenne et de biaxialité. Les observations conduites sur différents alliages métalliques ont également montré, pour les plus forts rapports de charge, qu'un endommagement généré lors du premier quart de cycle pouvait modifier les conditions d'apparition d'une fissure. Un critère de fatigue basé sur un couplage plasticité-endommagement à l'échelle mésoscopique est alors mis en place. Il rend compte des principales tendances expérimentales notamment celles relatives au chargement de traction biaxiale.