L'objectif de ce travail a tout d'abord été de développer une méthodologie de simulation numérique de propagation de fissure, en appliquant une approche couplée en chargement cyclique. On s'est intéressé, plus particulièrement, à l'utilisation d'éléments de zones cohésives couplés à une loi de comportement spécifique, afin de simuler, sans discontinuité, et avec un caractère prédictif, l'avancée d'une fissure.<br /><br />Enfin, nous avons établi un modèle phénoménologique de propagation, dans le cadre de la Mécanique Linéaire de la Rupture, qui rend compte des effets de fissure courte et, à haute température, des effets de fluage et d'oxydation sur la vitesse de propagation par fatigue. L'objectif de ce modèle est de fournir aux Bureaux d'Etudes un outil rapide et facile à mettre en œuvre afin de dimensionner des pièces industrielles telles que les aubes de turbines.<br /><br />Cette étude, très riche en termes de résultats expérimentaux de propagation de fissure, a permis de développer une approche locale basée sur les modèles de zones cohésives pour la simulation numérique de la propagation de fissure. Mais les perspectives futures de l'application de telles méthodes sont de pouvoir fournir des informations sur le couplage complexe qui existe entre la plasticité en pointe de fissure et le phénomène de propagation qui permettront d'enrichir des modèles phénoménologiques applicables en Bureaux d'Etudes.

A la température de service (320°C), la ferrite des composants en acier inoxydable austéno-ferritique du circuit primaire des centrales nucléaires subit un vieillissement par transformations microstructurales. Cette phase devient alors fragile et la résilience du matériau chute.<br />L'objectif de ce travail est d'étudier les vitesses et les mécanismes de propagation de fissure par fatigue en fonction du vieillissement et de la température d'essai (20°C/320°C). Pour cela, deux aciers moulés (30 % de ferrite) sont testés. Dans le but de mieux comprendre le rôle joué par l'orientation cristallographique des phases dans le mécanisme de propagation, la microstructure du matériau est étudiée par diffraction des électrons rétrodiffusés (ESBD) et par Trempe en Solidification Dirigée. Des éprouvettes sont également prélevées de telle sorte que la fissure se propage au travers de structures de solidification équiaxes et basaltiques. Microstructure, propriétés mécaniques en fatigue / fissuration et mécanismes sont alors reliés. Pour la gamme de delta K balayée, la fissure avance sans chemin préférentiel par une rupture successive des lattes de chacune de phases. Le plan macroscopique de fissuration, déterminé par ESBD, est imposé par l'orientation cristallographique du grain ferritique. Ainsi, selon la structure de solidification, des fissures secondaires peuvent apparaître ce qui influe sur les vitesses de propagation.<br />La fermeture de fissure, mesurée afin d'estimer les vitesses de propagation intrinsèques au matériau, diminue avec le vieillissement ce qui s'explique par l'accroissement de la composante cinématique du comportement plastique cyclique. La pente de la droite de Paris déterminée à partir de vitesses intrinsèques augmente avec le vieillissement. Le domaine de vitesse peut alors être séparé en deux parties : celle pour laquelle les vitesses sont plus faibles dans le matériau non vieilli et celle pour laquelle la tendance est inversée.

Dans cette étude, nous évaluons la résistance à la fatigue thermique du Superwaspaloy et modélisons son endommagement sous de telles sollicitations afin de fournir au partenaire industriel (SEP) des “outils” permettant d'évaluer la durée de vie des aubes des turbopompes du moteur VULCAIN. L'endommagement du Superwaspaloy est d'abord étudié en considérant un élément de volume critique soumis à différents chargements mécanothermiques. L'endurance du matériau est discutée en rendant compte de l'influence de divers paramètres : type de sollicitation, température d'essai, fréquence de sollicitation, environnement. A partir des observations micrographiques, nous identifions les mécanismes d'endommagement et expliquons leur dépendance des paramètres de sollicitation. La comparaison des résultats de fatigue oligocyclique isotherme et anisotherme nous permet de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu en fatigue anisotherme et de dégager quelques tendances pour modéliser la durée de vie. Le Superwaspaloy est ensuite étudié en fatigue thermique sur un banc de fatigue thermique de conception originale. Nous exposons les résultats obtenus pour deux géométries d'éprouvette en insistant sur les mécanismes d'amorçage et de propagation des fissures. Sur la base d'observations métallographiques, nous proposons une description de l'endommagement du matériau dans le cas de sollicitations thermiques cycliques. Enfin, nous exposons la modélisation de l'endommagement du Superwaspaloy en fatigue thermique. Nous proposons deux modèles basés sur la mécanique de l'endommagement pour décrire la durée de vie des éprouvettes de fatigue thermique. Le premier repose sur la théorie de la variable interne du dommage au sens de Chaboche, et évalue la ruine des éprouvettes en considéra nt le cumul des dommages de fatigue et de fluage. Le second décrit l'avancée d'une fissure par la ruine d'un élément microstructural sous l'interaction des dommages de fatigue, de fluage et d'oxydation. Ces deux modèles sont identifiés et testés à l'aide des résultats obtenus en fatigue oligocyclique isotherme et anisotherme. Finalement, ils sont appliqués aux structures de fatigue thermique pour vérifier leur aptitude à évaluer l'endommagement du matériau.

Ce travail concerne l'étude de la résistance à la fatigue dans le domaine gigacyclique de deux matériaux. Le premier, AS7G06 est utilisé pour la fabrication des carters de turbines pour hélicoptères, le second, l'acier R5, est utilisé pour la fabrication des chaînes pour plates-formes pétrolières. L'alliage d'aluminium AS7G06 moulé utilisé dans les carters de turbines est soumis à un très grand nombre de cycles en raison de la durée d'utilisation et de la vitesse de rotation de la turbine, environ 30.000 tr/min. Les échantillons provenant de vraies pièces ont été testés à température ambiante et à 150 ° C, et sou s trois rapports de charge. La résistance à la fatigue à très grand nombre de cycles au delà du milliard de cycles a été étudié, l'amorçage des fissures est systématiquement dues aux retassures. L'acier R5, selon la dénomination internationale des Sociétés de la Classification Internationale des Systèmes Offshore est un acier faiblement allié. Cet acier à haute résistance est habituellement utilisé pour la fabrication de chaînes d'amarrage pour les plates-formes pétrolières offshore dans la Mer du Nord. Cet acier possède une haute résistance, et une bonne résistance à la corrosion. Les chaînes sont conçues pour 30 ans, et sont chargées à basse fréquence (~ 0,5 Hz) en raison des vagues dans en mer ; ceci représente plus de 108 cycles. Les échantillons provenant de chaînes en acier R5 ont été testés en fatigue à des rapports R différents, sous trois conditions différentes : éprouvettes vierges dans l'air ou pré-corrodées en brouillard salin puis cyclées à l'air ou bien éprouvettes cyclées in situ dans l'eau de mer synthétique. La résistance à la fatigue dans le régime gigacyclique et les causes de l'amorçage des fissures ont été étudiées. En particulier, nous avons cherché à comprendre l'effet des défauts sur la résistance à la fatigue gigacyclique. La rupture en fatigue dans l'alliage AS7G06 est souvent due aux porosités. Pour l'acier R5, des piqûres de corrosion sont souvent la cause de rupture par fatigue. Une modélisation de la durée de la phase de propagation des fissures de fatigue est proposé et montre qu'au delà de 10^7 cycles, la durée de vie est essentiellement majoritairement due à la phase d'amorçage 10des fissures et non a la phase de propagation.

Le collage structural est une technique d’assemblage de plus en plus demandée aujourd’hui dans beaucoup de domaines comme l’automobile, l’aéronautique, l’aérospatial et dans d’autres domaines comme la construction, le sport et les loisirs. Cette technique très avantageuse, permet l’assemblage de matériaux semblables ou différents à l’aide d’un adhésif, la réduction importante du poids et la répartition uniforme des charges sur l’assemblage. Malgré ses avantages, le collage souffre encore de quelques inconvénients liés à l’existence de défauts dans les joints de colle. Parmi eux, il existe des défauts qui sont situés à l’interface colle/substrat comme un « kissing bond » ou un mauvais état de surface, qui restent indétectables ou difficilement détectables utilisant les techniques de contrôle non destructives. Donc, afin de prendre en compte l’existence des défauts d’adhésion dans les assemblages collés lors de la phase de conception, il est nécessaire de fournir un modèle analytique capable de prédire la propagation de fissure. Dans cette thèse, un modèle analytique qui prédit la propagation de fissure et qui évalue la résistance effective d’un assemblage collé contenant des défauts d’adhésion a été développé. Un défaut a généralement une géométrie complexe, et une étude générique est difficilement réalisable ce qui nous amène à considérer des géométries de défauts idéales. Le modèle a été vérifié par des expériences réalisées sur des éprouvettes DCB. Des simulations numériques utilisant la méthode de zone cohésive ont été réalisées également pour décrire plus complètement le processus de décohésion et simuler les essais expérimentaux. La dernière partie de ce travail a été dédiée à l’étude de la fissuration des éprouvettes en alliage de titane. Profitant de la collaboration avec Safran et Alphanov, les substrats ont subi un traitement de surface laser en laissant des zones non traitées. Le but de cette partie était de vérifier le modèle analytique proposé avec des configurations plus complexes. / Structural adhesive bonding has known an increasing use in many fields like aeronautics, aerospace and automotive and other fields like construction and sports. This very advantageous technique allows the assembly of similar or different materials using an adhesive, the significant reduction in weight and a uniform distribution of loads on the assembly. Despite its advantages, the bonding still suffers from some disadvantages related to the existence of defects in the bonded joints. Among them, there are defects that are located at the interface glue / substrate as "kissing bond" or poor surface due to bad surface treatment, which remain undetectable or hardly detectable using non-destructive control techniques. Therefore, in order to take into account the existence of adhesion defects in bonded assemblies during the design phase, it is necessary to provide an analytical model capable of predicting crack propagation and estimate the criticality of a defect. In this thesis, an analytical model that predicts crack propagation and evaluates the effective strength of a bonded assembly containing adhesion defects has been developed. A defect usually has a complex geometry, and a generic study is difficult to achieve, which leads us to consider ideal defect geometries. The model was verified by experiments performed on DCB specimens. Numerical simulations using the cohesive zone method were also performed to more fully describe the decohesion process and to simulate the experimental tests. The last part of this work was devoted to the study of titanium alloy assembly containing patterns. Taking advantage of the collaboration with Safran and Alphanov, the substrates underwent a laser surface treatment leaving untreated areas. The purpose of this part was to check the proposed analytical model with more complex configurations.

Différentes architectures macromoléculaires sensibles à la température, des copolymères linéaires greffés et des hydrogels, ont été développées et leur structure, leurs propriétés rhéologiques ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été étudiées. Dans le cas des hydrogels, le phénomène de séparation de phase des segments thermosensibles conduit, en conditions isochores, à une augmentation de la rigidité et de l'élongation à la rupture ainsi qu'à de remarquables propriétés de fatigue. Ce renforcement est de plus totalement réversible en pilotant le processus d'association/dissociation des interactions avec la température. Nous montrons que la topologie des réseaux joue un rôle important sur les performances mécaniques des hydrogels et plus spécialement sur le mode de propagation de fissure au sein de la structure. A partir d'études structurales par diffusion de neutrons complétées par des expériences sous traction, différentes nanostructures sont proposées en fonction de la topologie. Enfin, ce concept de renforcement stimulable des propriétés mécaniques des hydrogels, induit par un mécanisme de micro-séparation de phase, a été élargi à d'autres réseaux polymères combinant des propriétés thermodynamiques de LCST et UCST. / Thermo-responsive linear graft copolymers and hydrogels with different topologies have been designed and their nanostructure, their rheological properties as well as their tunable mechanical properties have been investigated. In the case of hydrogels, the self-assembly of the thermo-responsive sequences, which serve as secondary interactions, induces in isochoric conditions a strong enhancement of both stiffness and elongation at break, including also remarkable fatigue properties. Specifically, this reinforcement is totally reversible by switching on/off the associations. It is clearly shown that the topology of the network displays a crucial influence on the mechanical performance of hydrogels, especially the resistance to fracture. After a careful investigation of the structure by 2-D neutron scattering and tensile experiments, different nanostructures are proposed according to the topology. Finally, this concept of thermo-toughening of hydrogels through a controlled microphase separation has been extended to other polymeric networks combining LCST and UCST type polymers.

During the earthquake in Japan and California in the 1990s, some weld beam-to-column connections had some cracks in heavy rigid frame steel building. Consequently it is required to assess the performance of the welded connection in term of rotation capacity and crack propagation strength. Some experimental tests have been performed. The weld connections were submitted to cyclic loading with increasing amplitude until macro crack event. However the crack phenomenon depends on many parameters: the geometry, the material, the welding process. For this reason, it is interesting to develop a finite element modeling of this connection to complete these experiments and perform a parametric study. The welded connection is modeled by three dimensional mixed solid elements. The constitutive law is elastoplastic with isotropic hardening identified for the base metal and the weld metal. The crack propagation is modeled by cohesive zone model. The parameters of the cohesive zone model have been identified by inverse method with the modeling of three point bend tests of a pre-cracked sample performed on the base and weld metal. The fatigue damage generated by the cyclic loading is computed by the fatigue continuum damage model of Lemaitre and Chaboche and it is coupled with the cohesive zone model. The damage and the crack propagation depend on the residual stresses generated by the welding process. They have been computed by a simulation of this process with a thermo mechanical finite element analysis. This thesis presents the used models and the results compared with the experimental tests.

Le but du travail est de trouver, dans le domaine de fatigue oligocyclique, une loi de propagation de fissure sous un chargement thermomécanique anisotherme. La loi trouvée permet ainsi d'avoir un dimensionnement optimal des culasses des moteurs HDI PSA dont le matériau constitutif est l'AS7G03 "dopé" cuivre. Le travail réalisé durant les trois années de thèse se résume par les cinq étapes suivantes : - Etude bibliographique : sur la microstructure des alliages d'aluminium, les critères de fatigue et les lois de propagation de fissure. - Calcul numérique de structure : Des calculs des champs thermomécanique ont été réalisés sur la structure afin de mettre en évidence les zones critiques des culasses et de déterminer la nature et les amplitudes des chargements dans la zone qui nous intéresse. - Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure : Plusieurs campagnes d'essais de fissuration isotherme et anisotherme à rapport de charge positif et négatif ont été menées sur des éprouvettes CT16 et des éprouvettes SEN. Egalement, des observations microstructurales (faciès de rupture, trajet de fissuration, plans de glissements, endommagements locaux dans les zones eutectiques, ...) ont été réalisées. - Loi de propagation de fissure : En se basant sur les résultats numériques et expérimentaux, une nouvelle loi de propagation de fissure a été développée et validée. - Implémentation du modèle formel dans le logiciel de calcul et réalisation des calculs et des essais en condition anisotherme afin de valider le modèle.

L'objectif de ce travail est la simulation par éléments finis de la déchirure ductile des tôles minces en alliage d'aluminium 2024. La méthode est basée sur l'approche locale de la rupture. Les observations métallographiques indiquent deux mécanismes de rupture. Si la pression hydrostatique est élevée, la rupture intervient par striction interne. Dans le cas contraire, la rupture intervient par localisation de la déformation en bande à 45 degrés. Dans les éprouvettes de fissuration Kahn et M(T), les mécanismes de rupture sont identiques. Les simulations sont basées sur une extension du modèle de Rousselier incluant une représentation de l'anisotropie plastique et de la germination de porosités.<br />Un nouveau critère de plasticité anisotrope est spécifiquement développé. Il s'agit d'une extension du critère de Karafillis et Boyce (1993). Le modèle est appliqué à deux nuances dont la teneur en particules intermétalliques est différente. Les paramètres sont ajustés sur de petites éprouvettes pour le matériau à haute pureté. La transférabilité est vérifiée sur les grands panneaux M(T). Le transfert vers le matériau ayant la plus forte teneur en particules intermétalliques est fait en modifiant la taille de maille dans le même rapport que l'espacement inter-particules. Le modèle est utilisé comme un outil numérique afin d'étudier les effets de la loi d'écrouissage, d'une pré-traction ou de l'anisotropie plastique sur la résistance à la propagation de fissure. Il est alors possible de proposer des voies d'amélioration du matériau.

Lors de la tolérance aux dommages en fatigue de structures aéronautiques, l'estimation des vitesses de propagation de fissures existantes permet d'évaluer la tenue résiduelle de la structure et de définir des intervalles d'inspection et de réparations éventuelles. Une analyse complète ne pouvant être menée sur un modèle éléments finis dit « boulon par boulon », des analyses détaillées sont réalisées dans les zones fissurées et incluses dans un modèle général grossier de l'avion. Dans ce travail, une stratégie de calcul multiéchelle répondant à la problématique d'analyse locale globale pour le suivi de fissure et permettant de lever les difficultés de maillage est proposée. Deux techniques sont mises en synergie : une approche multiéchelle basée sur une méthode de décomposition de domaine pour traiter efficacement la localisation des déformations dans la zone fissurée et une technique d'enrichissement local, la X-FEM, pour décrire la géométrie de la fissure indépendamment du maillage.