L’objectif de cette étude est de caractériser expérimentalement la propagation de fissures de fatigue affectée par l’hydrogène (Hydrogen-Affected Fatigue Crack Growth, HAFCG) dans diverses conditions et de clarifier le mécanisme impliqué en se concentrant sur la plasticité en pointe de fissures. Pour cet objectif, dans une première étape, l’influence de l’hydrogène sur la déformation plastique a été étudiée à l’aide d’essais de traction effectués sur un fer commercialement pur, le fer Armco, sous hydrogène gazeux. Les résultats ont montré que l’effet de l’hydrogène sur la propagation des fissures après apparition de la striction est plus important que celui sur la déformation plastique uniforme. Le HAFCG a ensuite été étudié au moyen d’essais de fissuration pour diverses valeurs de l’amplitude de facteur d’intensité de contrainte ΔK, de pression d’hydrogène (PH2 = 3,5 et 35 MPa) et de fréquence de chargement (f = 0,02 - 20 Hz). Il a été révélé que les vitesses de propagation dans un régime à ΔK élevé étaient fortement augmentées par l'hydrogène, jusqu'à 50 fois plus élevé que celles dans l'air. Le mode de rupture est une rupture intergranulaire fragile dans un régime de propagation à faible ΔK, alors qu’on observe une rupture transgranulaire de type quasi-clivage dans un régime à ΔK élevé. La valeur de ΔKtr (valeur de ΔK déclenchant l'augmentation de la vitesse de fissuration) diminue en augmentant la pression PH2. En outre, la vitesse augmente en diminuant la fréquence f. Une fois que la fréquence devient inférieure à une valeur critique, la vitesse de fissuration diminue considérablement jusqu'au même niveau que celle sous azote. La plasticité en pointe de fissure a été analysée à plusieurs échelles par microscopie optique, par mesure de déplacement hors plan et par microscopie électronique à balayage par transmission de la structure de dislocation située immédiatement sous la surface de rupture (FIB/STEM). Aucune modification claire de la zone plastique monotone en pointe de fissure sous hydrogène n’a été observée, alors qu’une réduction drastique de la plasticité cyclique associée à l'augmentation de la vitesse a été identifiée. Sur la base des observations expérimentales, des modèles de mécanisme de fissuration intergranulaire induit par l'hydrogène impliquant la coalescence des micro-vides le long de joints de grain et de mécanisme de fissuration transgranulaire induit par l'hydrogène impliquant un clivage cyclique dû à la réduction de la plasticité en pointe de fissure ont été proposés. Trois critères caractéristiques de fissuration assistée par hydrogène (ΔKtr, gradient d'hydrogène (PH2 × f)1/2 et limite supérieure de vitesse de fissuration) ont été établis. Ces critères devraient être utiles pour améliorer la conception en fatigue et la fiabilité des équipements exposés à l'hydrogène gazeux. / The objective of this study is to experimentally characterize Hydrogen-Affected Fatigue Crack Growth (HAFCG) behavior under various conditions and clarify the mechanism by focusing on crack tip plasticity. For this objective, as a first step, the influence of hydrogen on plastic deformation has been investigated by means of tensile tests in a commercially pure iron, Armco iron, under gaseous hydrogen. The results of the tests pointed out that the hydrogen effect on crack propagation is more important than that on uniform plastic deformation. Then, the HAFCG was investigated by means of FCG tests under various conditions of crack tip stress intensity ΔK, hydrogen gas pressure (PH2 = 3.5 and 35 MPa) and loading frequency (f = 0.02 – 20 Hz). It has been revealed that the FCGRs in a high ΔK regime were highly enhanced by hydrogen up to 50 times higher than the one in air. The fracture mode was a brittle intergranular fracture in a low ΔK regime, while it is a brittle transgranular quasi-cleavage one in a high ΔK regime. The value of ΔKtr (value of ΔK triggering the FCGR enhancement) decreases by increasing the pressure PH2. Besides, the FCGR enhancement increases by decreasing the frequency f. Once f becomes lower than a critical value, the HAFCG rate significantly decreases down to the same level as in nitrogen., The crack tip plasticity was analyzed in a multiscale approach by means of optical microscopy, out-of-plane displacement measurement, and scanning transmission electron microscopy of dislocation structure immediately beneath the fracture surface (FIB/STEM). As a result, no clear modification of monotonic crack tip plasticity by hydrogen was observed, while a drastic reduction of cyclic crack tip plasticity associated with the FCGR enhancement was identified. Based on the experimental evidences, models of the hydrogen-induced intergranular FCG mechanism involving microvoid coalescence along grain boundary and the hydrogen-induced transgranular FCG mechanism involving cyclic cleavage due to crack tip plasticity reduction have been proposed. Three characteristic criteria of HAFCG (ΔKtr, hydrogen gradient (PH2 × f)1/2 and upper limit of FCGR) have been established. These criteria are expected to be useful for improving fatigue design and reliability of hydrogen-related equipment.

La taille de la zone plastique en pointe de fissure dans un matériau est directement liée au facteur d’intensité de contrainte pour une configuration donnée. Cette étude utilise la technique d’indentation avec une très faible charge afin d’étudier la taille de la zone plastique cyclique et monotone au voisinage de la fissure. La zone plastique est caractérisée par la relation entre la dureté, le module réduit, le travail élastique, le travail plastique, l’indice de plasticité et la distance par rapport à la pointe de fissure. Les essais sont menés sur une éprouvette CT pour un alliage d’aluminium 2024T351. Dans une étude complémentaire, le contour des zones plastiques en fond de fissure en mode mixte, le rayon minimum de zone plastique (MPZR) et la direction de la fissure initiale pour l’alliage d’aluminium 2024T351 sur un “Compact Tension spécimen” est déterminé en utilisant le logiciel Matlab. Nous avons calculé la forme, la taille de la zone plastique au fond de fissure, le rayon minimum de la zone plastique par rapport à l’angle de chargement et le facteur d’intensité de contrainte en utilisant le critère de Von Mises. L’étude est effectuée pour les divers angles de chargement. Nous avons constaté que le chargement en mode mixte (13 = 600) est le plus néfaste pour le matériau. / The plastic zone size associated with a propagating crack in a material is directly related to the stress intensity factor for a given configuration. This work utilizes the ultra-low-load indentation techniques to study the cyclic and monotonic plastic zone size at the fatigue crack tip based on the relationship between the hardness, elastic work, plastic work, plasticity index and the distance from the crack tip. The study is conducted essentially on the aluminium alloy 2024T351. In a second part of this work, we study the contour of mixed mode crack-tip plastic zones, the minimum plastic zone radius (MPZR) and the direction of initial crack for the aluminium alloy 2024T351 in a Compact tension specimen by using Matlab software. We have computed the shape, size of plastic zone at crack-tip and the minimum plastic zone radius with respect to the loading angle and stress intensity factor in linear elastic fracture mechanics for plane strain condition according to Von Mises yield criteria, the study is conducted for various loading angle. We found that the mixed mode loading (F36O°) can lead to earlier material fracture earlier than any other biaxial loading.

Matériaux incontournables des matériaux fonctionnels, les alliages à mémoire de forme(AMF) peuvent présenter de très larges déformations réversibles. La Transformation de Phase Martensitique (TPM), ayant lieu lorsqu’il est soumis à une action mécanique ou thermique, lui confère des caractéristiques particulières. Le comportement thermomécanique des AMF est à présent bien maîtrisé. Cependant la connaissance de leur comportement `a la rupture reste un enjeu majeur pour leur dimensionnement dans le cadre de leur industrialisation pérenne. Ces travaux de recherche se sont attachés `a la connaissance, la description et la quantification du phénomène de localisation en pointe de fissure liée à la TPM induite sous contrainte, au travers du développement d’un modèle prédictif et de sa corrélation expérimentale par mesures de champs simultanées lors d’essais de rupture sur des éprouvettes fissurées de NiTi. Deux modèles analytiques basés sur la mécanique linéaire de la rupture, intégrant le caractère dissymétrique du comportement des AMF en traction/compression, ont été développés pour la prédiction des zones de transformation au voisinage de la pointe de fissure en tenant compte des différents modes de rupture ( élémentaires et mixtes I+II) et du rayon de courbure en pointe de fissure. Un banc de caractérisation par mesures simultanées de champs cinématiques par corrélation d’images (DIC) et thermique par thermographie infrarouge a été développé pour cartographier les champs expérimentaux d’essais de rupture en mode I sur des éprouvettes pré-fissurées. Cette bonne corrélation des modèles analytiques ouvre de nombreuses perspectives concernant l’analyse du couplage thermo mécanique associé à la TPM en pointe de fissure, l’enrichissement des modèles analytiques initiaux, et la confrontation avec les résultats expérimentaux pour des modes de rupture plus complexes (II et mixte I+II). / Major player among functional materials, Shape Memory Alloys (SMA) may undergo verylarge reversible strain. SMA exhibit a Martensitic Phase Transformation (MPT) when they aresubmitted to mechanical or thermal actions, and that gives them some specific characteristics.The thermomechanical behavior of SMA is now well controlled. However, the knowledge of theSMA fracture behavior is a major challenge for their design and sizing for their sustainableindustrialization. This research project has focused on the understanding, describing and quantifyingof the phenomenon of localization at the crack tip due to stress-induced MPT. The study includestwo main aspects: the development of an analytical model and its experimental correlation bysimultaneous field’s measurements during tests on cracked NiTi specimens. Two analytical modelsbased on the linear fracture mechanics and those introduce the asymmetrical nature of the SMAbehavior in tension/compression, were developed for the prediction of transformation zones in thevicinity of the crack tip, taking into account the fracture mode (elementary and mixed ones)and the radii of curvature of the crack tip. A testbench with the measurement of simultaneouskinematic field with Digital Image Correlation (DIC) and thermal field with infrared thermographywas designed for mapping the experimental fields during fracture tests in mode I on pre-crackedspecimen. This good correlation of analytical models opens up many perspectives on the analysisof thermomechanical coupling associated with the MPT at the crack tip, the enrichment of the initialanalytical models, and comparison with experimental results for more complex failure modes (II andmixed I+II).

Les outillages de mise en forme à chaud sont soumis à des sollicitations thermomécaniques transitoires. Ils sont donc confrontés à la fissuration par fatigue. Le but de ce travail est d'étudier le comportement et la durée de vie en fatigue des aciers d'outillage, notamment leurs résistances à la propagation de fissure. Dans un premier temps, les chargements thermiques imposés aux outillages de fonderie sous pression de magnésium et d'emboutissage à chaud ont été évalués. Ensuite, le comportement et la durée de vie de l'acier à haute conductivité thermique HDC1 ont été étudiés et comparés à l'acier AISI H11 (acier de référence) en fonction de la température. L'acier HDC1 présente un adoucissement cyclique stable à 20°C et 300°C. Par contre, l'intensité d'adoucissement est plus importante à hautes températures. La durée de vie a été étudiée en utilisant les lois de Manson-Coffin et de Basquin. A hautes températures, l'oxydation devient un mécanisme d'endommagement primordial pour l'acier HDC1 et provoque des durées de vie plus courtes que celles observées sur l'acier AISI H11. La résistance à la propagation de fissure de fatigue a été déterminée dans des aciers à la température ambiante par le biais de critères : l'amplitude de facteur d'intensité de contrainte (∆K) et l'amplitude d'ouverture en pointe de fissure (∆CTOD). La méthode de corrélation d'images a permis de mesurer (∆COD) et d'évaluer (∆CTOD). L'ensemble de ces résultats a permis de mettre en évidence l'effet de fermeture de fissure et le comportement plastique en pointe de fissure. ∆CTOD présente un bon critère pour rationaliser la propagation de fissure dans les aciers étudiés.Enfin, la simulation numérique de la propagation de fissure en fatigue a été menée dans l'acier AISI H11 à 600°C par la méthode de relâchement des nœuds en éléments finis. L'effet des modèles de comportement monotone (élastoplastique) et cyclique (élastoviscoplastique) a été étudié sur le calcul de l'ouverture de fissure et la plasticité en pointe de fissure. L'influence du modèle de comportement est faible sur le calcul de l'amplitude d'ouverture de fissure ∆COD, du fait d'une plasticité confinée en pointe de fissure. Alors que, le modèle de comportement cyclique est mieux adapté pour décrire la plasticité en pointe de fissure. / Hot metal forming tools are subjected to cyclic thermomechanical loading and damage by complex fatigue/wear/oxidation interactions. Thermal solicitations were measured on high pressure die casting and hot stamping processes. Based on thermal measurements, the isothermal fatigue behaviour and lifetime of a new high conductivity steel HDC1 were investigated at different temperatures and strain amplitude then compared to AISI H11 steel. As AISI H11, continue cyclic softening was observed in HDC1 at all temperatures. The Manson-Coffin and Basquin laws were used for life prediction models under different temperatures. It was observed that the fatigue/oxidation interaction was a principal damage mechanism of the HDC1 steel at high temperature. Fatigue crack propagation in steels was investigated at room temperature in SENT specimens. A digital image correlation technique was used to evaluate crack opening (∆COD) and crack tip opening displacement (∆CTOD) ranges. Crack growth rate were investigated using ∆K (Paris law) and ∆CTOD criteria. It was observed that the cyclic crack tip plasticity control the crack propagation resistance. Crack closure could be evaluated by ∆CTOD.Finite element method by debond technique was used to model the crack propagation of AISI H11 at 600°C using both monotonic elasto-plastic (EP) and cyclic elasto-viscoplastic (EVP) constitutive laws materials. The comparison of ∆COD calculated and measured had shown that monotonic EP and cyclic EVP had no significant effect on the ∆COD, mainly due to the small-scale yielding conditions. It is however observed that the cyclic constitutive law was the best suitable model for the crack tip plasticity effect.