Des réseaux de fissures dues à de la fatigue thermique à grand nombre de cycles (faïençage thermique) ont été mis en évidence dans certains composants de centrales nucléaires. L'estimation de durée de vie des composants est d'une importance vitale pour définir des programmes de maintenance. Une solution analytique de calcul du facteur d'intensité des contraintes a été développée pour étudier l'effet du chargement thermomécanique. Vu la complexité du chargement thermique et le phénomène de propagation dans un réseau de fissures, un outil de simulation numérique a été mis au point. Il s'agit d'un outil de remaillage automatique et une stratégie de propagation dans un réseau basée sur l'incrément de longueur de fissures. Un modèle probabiliste qui prend en compte l'hétérogénéité du matériau lors de la formation, propagation et coalescence dans un réseau est ensuite présenté. Ce modèle peut être implanté dans un code de calcul par éléments finis comme un modèle d'endommagement.

Cette Thèse a porté sur l’étude en fatigue oligocyclique et en fissuration des joints soudés des aciers inoxydables superausténitique (Alloy28) et duplex (UNS S32550). L’effet de la présence du joint soudé dans la structure a été examiné.La première étape de ce travail a consisté à étudier le comportement monotone et cyclique du métal de base et du métal d’apport de chaque nuance d’acier inoxydable de l’étude. Les lois de comportement à température ambiante ont été ainsi identifiées.Des essais de fatigue oligocyclique sous différents niveaux de déformation imposée ont été effectués sur les aciers inoxydables et leurs joints soudés. Les résultats indiquent que la durée de vie des soudures est plus faible que celle du métal de base. Les analyses des mécanismes d’endommagement montrent que la durée de vie réduite des joints soudés est attribuée à l’accélération de la phase d’amorçage.Enfin, les essais de propagation de fissure sur l’Alloy28 montrent que le rapport de charge a un effet sur la cinétique de propagation dû au phénomène de fermeture par rugosité et par plasticité. Les vitesses de propagation de fissure dans le métal d’apport sont très similaires à ceux du métal de base. Ceci est dû à la compensation de plusieurs effets comme le phénomène de fermeture, la rugosité et les contraintes résiduelles. L’acier inoxydable duplex ne présente pas d’effet de rapport de charge sur la cinétique de fissuration. Les vitesses de propagation de fissure du métal d’apport sont aussi comparables à celles du métal de base. / This thesis focused on the study of low cycle fatigue and crack growth of welded joints of superaustenitic (Alloy28) and Duplex (UNS S32550) stainless steels. The effect of the presence of the welded joint in the structure was also examined.The first part of this work was to study the monotonous and cyclic behavior of the base metal and weld metal of each stainless steel. The behavior laws of each material were identified at room temperature.Low cycle fatigue tests at different levels of deformation were performed on stainless steels and their welded joints. The results indicate that the fatigue life of welded joints is lower than the base metal. The analyses of damage mechanisms show that the short life of welded joints is attributed to the acceleration of the initiation phase.Finally, crack propagation tests in Alloy28 stainless steel show that load ratio has an effect on the crack growth rate due to the closure phenomenon by roughness and plasticity. The crack growth rate in the weld metal is very similar to that of the base metal. This is due to the compensation of various effects such as the roughness, the residual stress and the closure phenomenon. The duplex stainless steel does not present load ratio effect on the crack growth rate. The crack growth rates of the weld metal of the duplex stainless steel are also comparable to those of the base metal.

La modélisation numérique de la multi-fissuration et son influence sur les ouvrages du Génie Civil reste un sujet ouvert et nécessite le développement de nouveaux outils numériques de plus en plus performants. L’approche retenue dans cette thèse est basée sur l’utilisation des concepts des équations intégrales de Galerkin accélérées par la méthode multipôle rapide. Les méthodes intégrales sont bien connues pour leur souplesse à définir des géométries complexes en 3D. Elles restent également très performantes en mécanique de la rupture, lors de la détermination des champs singuliers au voisinage des fissures. La Méthode Multipôle Rapide, quant à elle, permet via une judicieuse reformulation des fonctions fondamentales propres aux formulations intégrales, de réduire considérablement le coût des calculs. La mise en œuvre de la FM-SGBEM a permis de pallier les difficultés rencontrées lors de la phase de résolution et ce lorsqu’on traite de domaines de grandes tailles par équations intégrales de Galerkin pures. Les présents travaux, viennent en partie optimiser et renforcer cette phase dans les environnements numériques existants. D’autre part, des adaptations et des développements théoriques des formulations FM-SGBEM pour prendre en compte le caractère hétérogène des domaines en Génie Civil qui en découlent, ont fait l’objet d’une large partie des travaux développés dans cette thèse. La modélisation du phénomène de propagation de fissures par fatigue a également été étudiée avec succès. Enfin, une application sur une structure de chaussée souple a permis de valider les modèles ainsi développés en propagation de fissures par fatigue dans des structures hétérogènes. De réelles perspectives d’optimisations et de développements de cet outil numérique restent envisagées. / The modeling of cracks and its influence on the understanding of the behaviors of the civil engineering structures is an open topic since many decades. To take into consideration complex configurations, it is necessary to construct more robust and more efficient algorithms. In this work, the approach Galerkin of the boundary integral equations (Symmetric Galerkin Boundary Element Method) coupled with the Fast Multipole Method (FMM) has been adopted. The boundary analysis are well-known for the flexibility to treat sophisticated geometries (unbounded/semi-unbounded) whilst reducing the problem dimension or for the good accuracy when dealing with the singularities. By coupling with the FMM, all the bottle-necks of the traditional BEM due to the fully-populated matrices or the slow evaluations of the integrals have been reduced, thus making the FM-SGBEM an attractive alternative for problems in fracture mechanics. In this work, the existing single-region formulations have been extended to multi-region configurations along with several types of solicitations. Many efforts have also been spent to improve the efficiency of the numerical algorithms. Fatigue crack propagations have been implemented and some practical simulations have been considered. The obtained results have validated the numerical program and have also opened many perspectives of further developments for the code.

Dans le contexte industriel actuel, la modélisation numérique apparaît comme un outil nécessaire, entraînant des gains de temps et d'argent importants. Le logiciel FORGE2 Multimatériaux a été développé dans ce cadre, afin de modéliser des matériaux élastoplastiques ou élasto-viscoplastiquse en grandes déformations. Nous présentons dans ce mémoire les développements qui ont été réalisés pour permettre de prendre en compte et de gérer plusieurs sous-domaines et plusieurs matériaux, en insistant sur les difficultés liées à la gestion des contours et du remaillage. Nous présentons également les outils numériques introduits pour modéliser la propagation quasi-statique de fissures dans le maillage. Pour cela, nous introduisons les paramètres caractéristiques classiques en mécanique de la rupture, et nous les étudions pour une fissure statique. La méthode G, permettant de calculer avec précision le taux de restitution d'énergie, est développée et comparée à d'autres méthodes. Nous abordons ensuite l'amorçage et la propagation quasi-statique de fissures en présentant et en comparant trois critères de propagation: le critère de la contrainte normale maximale, le critère de la densité d'énergie de déformation minimale et le critère du taux de restitution d'énergie maximal. Une attention particulière est portée aux problèmes de remaillage et de structure du maillage en pointe de fissure. La caractéristique multimatériaux du code permet également d'étudier la propagation de fissures dans des matériaux composites. Les exemples d'application proposés montrent la robustesse des développements effectués et offrent de nombreuses perspectives intéressantes. Enfin nous utilisons les différents outils présentés pour étudier les mécanismes de déformation et de rupture lors du compactage de tubes en zircaloy 4. Une étude expérimentale est menée en parallèle afin de valider les résultats numériques, et d'étudier l'influence de l'oxydation sur les propriétés mécaniques du zircaloy 4.

En structure, le bois est soumis à des sollicitations différentes dont les principales sont physiques, mécaniques et environnementales. Lorsque ces sollicitations sont couplées, le comportement mécanique du bois devient difficile à appréhender. L’objectif de cette thèse est de mettre en évidence, via un protocole de suivi de l’évolution de la flèche, l’impact des variations des conditions climatiques sur la durée de vie en structure des poutres de bois. Le travail s’articule essentiellement autour de deux grands axes principaux, un protocole expérimental spécial et une approche analytique basée sur la résistance des matériaux (RDM) de l’évolution de la flèche d’une poutre entaillée en ambiance non contrôlée. Le dispositif prend en compte : les processus de fissuration du bois, notamment de l’ouverture et de la propagation de la pointe d’une fissure se propageant linéairement depuis le droit de l’entaille, jusqu’à la rupture totale de la poutre ; le suivi des paramètres climatiques que sont la température, l’humidité relative du milieu et les variations de l’humidité interne des poutres testées. Les résultats obtenus montrent qu’une humidification entraine une augmentation de la flèche relative et un séchage génère un départ de fissures pouvant conduire à une rupture de la poutre. Le modèle analytique de l’évolution de la flèche d’une poutre entaillée en ambiance non contrôlée, est tiré des hypothèses classiques de la théorie des poutres de Timoshenko et de l’ensemble des résultats expérimentaux obtenus. Il prend en compte les processus de fissuration, les variations de son humidité interne et l’intensité du chargement qui lui est appliqué. Le modèle représente assez bien les comportements instantané et différé de la poutre induits par les chargements mécanique et environnementaux. / In structure, wood is subjected to different loadings, where the principals are physical, mechanical and environmental. The coupling of these different loadings, make the understand of the mechanical behaviour of wood difficult. The aim of this thesis is to highlight, through a protocol for monitoring the evolution of the deflection, the impact of the conditions of climatic variations on the lifetime of timber of the notched beams. The work is essentially based around two major axes highlighting, respectively, a new experimental devices and a new analytical approach of the following of the evolution of the beam deflection, in outdoor conditions. The experimental device takes into account: the monitoring of the evolution of the notched-beam deflection; the cracking processes of wood, in particular the following of its initiation, the opening and the propagation of the tip of crack which appeared, on the notched-beam until its collapse; the monitoring of the climatic parameters such as temperature, the environmental relative humidity and the variations of the moisture content of the beams during the test. The results show that the variations of these climatic parameters favour the acceleration of the wood aging process in the structure. The analytical model of the evolution of the deflection of a notched beam, shown in this work, is based on the classical hypotheses of Timoshenko’s beam theory and all the experimental results obtained. It takes into account the cracking processes of notched-beam, the variations of its moisture content and the intensity of the loading applied on the beam.

Dans les installations industrielles, des inspections régulières sont planifiées pour évaluer l’état de santé interne des composants. Si des fissures sont révélées, il est souhaitable de savoir si l’exploitation de la structure peut se poursuivre ou si un régime de fonctionnement dégradé pourrait être envisagé. En se basant sur la mécanique élastique linéaire de la rupture, les travaux présentés traitent donc dans le cas de composants fissurés de la dispersion de durée de vie résiduelle relative aux incertitudes sur les paramètres du modèle de prévision. La longueur de fissure initiale, les propriétés du matériau ainsi que les paramètres d’entrée de la loi de Paris ont été considérés comme des variables aléatoires, dont les distributions ont été déterminées expérimentalement puis ajustées par des lois statistiques adéquates. Des contrôles ultrasonores par mesure du temps de vol de l’onde diffractée – Time Of Flight Diffraction (TOFD) en anglais – et des mesures de champs obtenues par corrélation d’images numériques ont été utilisés pour quantifier la propagation d’une fissure dans une éprouvette à défaut soumise à des sollicitations cycliques uniaxiales. Les données expérimentales recueillies ont été utilisées pour initialiser les calculs et valider les résultats numériques. Les distributions de taille de fissure obtenue après un nombre donné de cycles de sollicitation et de nombre de cycles de sollicitation conduisant à une taille définie de fissure ont été obtenues par une méthode de Monte-Carlo appliquée au modèle de prévision. L’ajustement de ces distributions par de lois log-normales a fourni des outils analytiques d’estimation probabiliste de propagation de fissure. Cela a notamment permis la réalisation de cartographies de risques et l’évaluation de l’évolution de la fiabilité du composant étudié. Enfin, les effets d’une actualisation de la connaissance de la longueur de fissure au cours de la vie de ce composant en termes d’incertitude de prévision et d’extension de durée de vie résiduelle prévisionnelle ont été étudiés. En particulier, afin de limiter le coût des campagnes de contrôle non destructifs dans le cas industriel, une stratégie d’optimisation de l’actualisation de cette connaissance basée sur l’étude de fiabilité a été proposée. / In industrial plants, regular inspections are planned to assess the internal state of installations. If some cracks are revealed, it is desirable to know whether the structure can still be used or if a degraded mode of operation should be considered. Starting from a linear elastic fracture mechanics model, the work presented studied the scatter of the remaining life of such cracked parts due to the uncertainties on the parameters of the prediction model. Initial crack size, material properties and input parameters of Paris’ law have been considered as random variables and their distributions have been experimentally identified and fitted with convenient statistical laws. Time Of Flight Diffraction (TOFD) and field measurement technique based on Digital Image Correlation (DIC) were used to monitor the crack propagation initiated from a notch introduced in specimen submitted to uniaxial cyclic loading. Experimental crack length results were used to initiate computations and as a mean to validate numerical results. Both the crack lengths distributions resulting from the application of loading cycles and the distribution of the number of cycles leading to a given crack length were obtained from a Monte-Carlo method applied to the prediction model. The fit of these distributions with log-normal laws provided analytical tools to assess probabilistic crack propagation. It allowed for risk mapping and for the evaluation of the studied component’s reliability evolution. Last, the effects of an actualisation of crack length knowledge along the life of this component in terms of assessment uncertainty and predicted residual life extension has been studied. Especially, to limit the cost of non-destructive techniques inspection in industrial cases, a reliability-based strategy has been proposed for the optimisation of the crack knowledge actualisation.

Lors du chargement cyclique d’une pièce métallique fissurée, un champ de température hétérogène est créé à la pointe de la fissure. Ce champ de température est dû à trois types de sources de chaleur : (i) la première source est une source de couplage thermoélastique liée à la partie hydrostatique du tenseur des contraintes résultant de la sollicitation mécanique cyclique. Elle fluctue périodiquement dans le temps et l’énergie qui lui est associée est nulle à la fin de chaque cycle de chargement ; (ii) la deuxième source de chaleur est une source dissipative et intrinsèque au comportement du matériau. Elle est reliée au phénomène de l’auto-échauffement dû à la microplasticité dissipée en chaleur dans le matériau à l’échelle microscopique. Elle est positive et s’accumule dans le temps ; (iii) enfin, la troisième source de chaleur a les mêmes origines et propriétés que la deuxième source, mais elle est associée à la plasticité, à l’échelle macroscopique, qui se dissipe en chaleur dans la zone de plasticité cyclique à la pointe de la fissure. En présence de ces trois sources de chaleur, le champ de température résultant génère un champ de contrainte dû au phénomène de la dilatation thermique. Ce nouveau champ des contraintes s’ajoute au champ des contraintes dû au chargement mécanique cyclique, et donc l’état des contraintes sur la fissure est modifié. En conséquence, le facteur d’intensité des contraintes, qui est un paramètre clé dans la modélisation de la propagation des fissures, est modifié. D’où l’objectif de cette thèse qui vise à quantifier les conséquences de ces trois sources de chaleur sur le facteur d’intensité des contraintes, et ce dans le cas d’une fissure longue de fatigue. / By subjecting a cracked specimen to a cyclic loading, thermal effects take place and create a heterogeneous temperature field around the crack tip. Those thermal effects are associated with coupling and dissipative heat sources, namely: (i) the heat source due to thermoelastic coupling generated by the hydrostatic part of the stress tensor related to cyclic mechanical loading; (ii) the heat source due to intrinsic dissipation associated with the self-heating phenomena originating from plasticity at the microscopic scale; (iii) and the heat source due to cyclic plasticity, at the macroscopic scale, which occurs in the reverse cyclic plastic zone ahead of the crack tip, and dissipates into heat. The overall heterogeneous temperature field resulting from the heat sources induces a heterogeneous stress field due to thermal expansion phenomena. As a consequence, the stress state over the crack is modified and leads to modify the stress intensity factor, which is a key parameter in modeling fatigue crack growth. Therefore, the aim of this PhD thesis is to quantify the consequences of the heat sources on the stress intensity factor, in the case of a long propagating fatigue crack.

Les composites unidirectionnels SiC/Ti sont des candidats potentiels au développement de nouveaux moteurs aéronautiques, ils allient à la fois résistance spécifique élevée, stabilité dimensionnelle et rigidité. Le matériau étudié ici est un alliage Ti 6242 renforcé par des fibres en carbure de silicium SM 1140+.<br />Des essais de fatigue mécano-thermique ont été menés sur le composite suivant des cycles simulant le chargement supporté au cours d'un vol. Une réduction importante de la durée de vie du composite par rapport à une sollicitation isotherme a été mise en évidence. Des modèles de prévision de la durée de vie en fatigue du composite ont été mis en place à l'aide de simulations aux éléments finis.<br />Des essais de propagation de fissure par fatigue ont été conduits sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Les résultats ont mis en évidence un régime stabilisé : la vitesse de fissuration est constante et indépendante de la taille de la fissure. Ce résultat est associé à des conditions particulières de propagation. En effet, des observations ont montré que pour l'ensemble des essais, la fissure a contourné les fibres sans les rompre : on est donc en régime de pontage de la fissure par les fibres. Des observations ont d'autre part révélé une consommation de l'interphase en carbone des fibres présentes dans le chemin de fissuration.<br />Un modèle a été mis en place pour prédire les vitesses de fissuration stabilisées mesurées expérimentalement sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Cette modélisation est basée sur des résultats d'essais de fissuration obtenus sur la matrice seule et sur des simulations aux éléments finis d'éprouvettes entaillées. Les résultats obtenus permettent d'avoir accès aux cinétiques de propagation dans le composite en régime de pontage.

Les canalisations coudées des circuits de refroidissement des centrales thermiques sont soumises à des fluctuations thermiques de faible amplitude et de fréquence variable. Ces fluctuations associées aux variations de température des fluides présentent un risque de fissuration et de fuites. Afin de prévenir de tels risques, EDF a lancé le programme CRECO RNE 808, « Fatigue thermique des aciers inoxydables austénitiques 304L » pour étudier expérimentalement sur élément de volume, lamorçage et le début de propagation des fissures en fatigue thermique dans les aciers inoxydables austénitiques. Lobjectif est de comparer le comportement et lendommagement du matériau en fatigue mécano-thermique (cyclage en température + cyclage en déformation) et en fatigue isotherme et est orienté sur le problème RRA, dans lequel les conditions extrêmes ont été déterminées par EDF pour le métal Tmax = 165°C et Tmin = 90°C et où la fréquence des fluctuations thermiques peut atteindre un Hertz. Une sollicitation thermomécanique sur élément de volume est nécessaire en effet pour simuler la fatigue thermique des zones critiques dune structure. Des essais de fatigue isotherme, aux deux températures extrêmes du cycle thermique, ont montré un comportement similaire du matériau et un effet du module sur la réponse mécanique du matériau. On na pas constaté de réelle différence de durée de vie entre les deux températures étudiées pour des amplitudes de déformation mécanique supérieures à 0,18% alors que pour des faibles amplitudes de déformations la durée de vie du matériau diminue quand la température augmente. Des essais de fatigue mécano-thermique réalisés sur des éprouvettes prélevées dans une bride de barrière thermique et dautres sur une tôle ne montrent pas de différence que ce soit de point de vue comportement ou durée de vie pour des amplitudes de déformations mécaniques supérieures à 0,18%. Dans le but détudier leffet de la contrainte moyenne, induite par pré-écrouissage cyclique, sur la durée de vie du matériau, des essais ont été réalisés sur des éprouvettes pré-écrouies cycliquement à lambiante à ±1%. Une première comparaison des deux essais réalisés sur matériau pré-écroui ne montre pas de différence entre le chargement mécano-thermique et isotherme à 165°C que ce soit en terme de comportement ou de durée de vie. Un effet de la contrainte moyenne (préécrouissage monotone à lambiante) a été mis en évidence en fatigue isotherme à 165°C, avec une réduction importante de la durée de vie sur le digramme Dep/2 = f(Nf). Sous sollicitations mécano-thermiques, la durée de vie sur matériau pré-écroui est plus importante que dans des conditions isothermes à 165°C. Une étude du comportement en relaxation du matériau entre 50 et 250°C a montré la présence de deux stades de relaxation : un premier stade pendant lequel le matériau se relaxe rapidement avec une viscosité indépendante de la température et de la déformation plastique cumulée, et un deuxième stade pendant lequel la contrainte macroscopique varie peu dans le temps. Létude a montré que la capacité de relaxation du matériau diminue quand la température augmente de 50 à 250°C : le matériau présente donc une anomalie de comportement marquée dans ce domaine de températures. Un pré-écrouissage cyclique à lambiante à ±1% diminue le taux de relaxation du matériau à 50°C et fait apparaître une troisième stade de relaxation du matériau avec une viscosité plus importante. Un pré-écrouissage monotone à lambiante jusquà une contrainte maximale de 500MPa, réduit encore plus le taux de relaxation du matériau à 50 quà 250°C. Les essais de fatigue mécano-thermique à grand nombre de cycles (106 cycles et au delà) conduisent à des durées dessais pouvant dépasser un an. Afin dexplorer, néanmoins, leffet de lamplitude de déformation dans ce domaine de durée de vie, et compte tenu du fait que sur site les premiers stades damorçage se produisent dans des zones superficielles perturbées, nous avons réalisé des essais de propagation de fissures courtes à partir dune entaille (longueur 2a = 0.5mm) en plasticité généralisée en contrôle de déformation mécanique, comme sur élément de volume. Un modèle de durée de vie est introduit au dernier chapitre. Le calcul est basé sur les résultats des essais de fissuration en plasticité généralisée décrite dans le chapitre 6. En premier lieu un modèle de comportement cyclique est identifié aux deux températures 90 et 165°C.<br /> La deuxième partie sintéresse au calcul de durées de vie. À travers une représentation énergétique des résultats, nous avons discuté la validité du modèle de durée de vie en nous basant sur une analyse assez simplifiée. Deux approches sont présentées, avec pour chaque cas une comparaison des durées de vie expérimentales aux durées de vie obtenus expérimentalement en fatigue isotherme à 90 et 165°C et en fatigue mécano-thermique. Le modèle de durée de vie retenu a été validé en fatigue isotherme à 90 et 165°C ainsi quen fatigue mécano-thermique.

Dans ce travail, une démarche d'analyse en fatigue des structures mécano-soudées industrielles soumises à des environnements mécaniques complexes est proposée. Basée sur une approche multi-échelle et sur le principe de superposition, elle utilise la méthode des éléments finis pour déterminer une carte du dommage de la structure avant de se focaliser sur l'amorçage de fissures. La propagation est traitée en couplant l'approche locale du dommage - le multi amorçage -, avec la prise en compte de la souplesse de la stucture fissurée au moyen d'éléments ressorts et grâce au developpement de Boites à Fissures, utilisées pour le calcul des facteurs d'intensité de contrainte, l'analyse de la bifurcation et de l'ouverture des fissures pour les chargements variables. Tous ces développements ont permis de créer une démarche et un outil permettant de traiter, sans remaillage, de l'amorçage d'une fissure jusqu'à la ruine, et qui ont été mis en oeuvre sur une structure industrielle