Le comportement en fatigue de l’acier à très haute résistance (THR) X23NiCoCrMoAl13-6-3 étudié est caractérisé par une dispersion dans les performances de tenue en fatigue. Deux modes d’amorçages de fissures sont observés sur sa courbe de Wöhler : le premier mode correspondant à des amorçages de fissures à partir d’inclusions non métalliques en surface des éprouvettes menant aux plus faibles durées de vie. Le second mode correspond à des amorçages de fissures en interne sur inclusions menant à de longues durées de vie et à des fissures en forme d’œil de poisson (« fish-eye »). Le lien entre les conditions d’essai (niveau de sollicitation, température et environnement), la nature et la localisation du site d’amorçage et la durée de vie résultante n’est jusqu’alors pas clairement identifié. L’objectif de ce travail de thèse est donc de mieux appréhender les mécanismes physiques à l’origine des différents types d’amorçage et de propagation en fatigue menant à la dispersion en durée de vie.La première partie de ce document présente la caractérisation microstructurale multi-échelle de l’acier THR avec l’identification des entités microstructurales et de leurs dimensions caractéristiques. Ensuite, l’analyse des faciès de rupture a permis de caractériser de manière approfondie les zones associées aux différents stades de propagation de la fissure de fatigue. Pour l’amorçage en surface, on trouve : 1) la particule rompue 2) la propagation sous air 3) la rupture ductile finale. Pour les amorçages en interne deux stades supplémentaires sont observés : 1.a) formation d’une zone à grains fins (« fine granular area, (FGA) ») autour de la particule si sa taille est inférieure à une taille critique et 1.b) propagation sous vide. La mécanique linéaire de la rupture est utilisée pour estimer le facteur d’intensité des contraintes de la fissure, Kmax, pour chacune de ces zones.Le facteur Kmax associé à la transition entre FGA et fish-eye se révèle être constant à une température donnée. Cette transition se caractérise par une taille de zone plastique en pointe de fissure de l’ordre de trois fois la largeur des lattes de martensite. Lorsque la température augmente, le Kmax en fin de FGA diminue mais la taille de la zone plastique reste constante. Le caractère cristallographique, pseudo stade I, de la propagation dans la FGA est mis en évidence. Il a été de plus confirmé qu’une FGA pouvait se former en cours de propagation de fissures à partir d’éprouvettes entaillées (SENT), sous vide sollicitées à Kmax faible. Le caractère cristallographique a été confirmé par analyse EBSD 3D du faciès de rupture. Un calcul de durée de vie en propagation pure sous air et sous vide a montré que les durées de vie peuvent varier d’un ordre de grandeur en fonction de l’environnement. / The fatigue behavior of a very high strength steel X23NiCoCrMoAl13-6-3 shows a large scatter in fatigue life. Two fatigue crack initiation scenarios are found. They are separated by a plateau in the Wöhler curve: the first one corresponds to crack initiation at the specimen surface from non-metallic inclusions leading to short fatigue lives. The second scenario corresponds to internal crack initiation from particles leading to so-called fish-eye cracks. The link between test conditions (load level, temperature and environment), the nature and location of the crack initiation site and the associated fatigue life has yet not been clearly established. The objective of the present PhD project is to better understand the physical mechanisms leading to the different fatigue crack initiation and propagation mechanisms.In the first part of the thesis the microstructure of the very high strength steel was studied at multiple scales and its main constituents and their respective sizes were identified.Further, the analysis of the fatigue tests by fractography has permitted to identify the different characteristic fatigue crack propagation stages. For surface fatigue crack initiation, the following stages were found: 1) a broken particle 2) fatigue crack propagation in air 3) the final ductile fracture. For internal fatigue crack initiation two more fatigue crack propagation stages are observed: 1.a) formation of a fine granular area (FGA) for small particles and 1.b) propagation in vacuum. Linear elastic fracture mechanics are used to evaluate the stress intensity factor, Kmax for each of these zones.Kmax revealed to be constant at the end of the FGA. The size of the plastic zone at the end of the FGA was calculated and corresponded to three times the width of the martensite laths. Tests at different temperatures (20°C, 200°C and 400°C) revealed a decreasing FGA size with increasing temperature at constant applied stress amplitude. As a consequence, the critical stress intensity factor varied as the FGA decreased with temperature. In contrast, the critical plastic zone size remained constant and equal to the sizes of microstructural features. This represents a strong similarity between crystallographic, stage I-like, crack propagation and FGA formation in a vacuum. This was further confirmed as an FGA was formed during crack propagation using SENT samples in vacuum and for low Kmax levels. The crystallographic character was verified by an SEM/FIB analysis of the fracture surface. A fatigue life prediction, assuming propagation only, showed that the fatigue life can vary by an order of magnitude as a function of the test environment corresponding to surface and internal crack initiation.

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De nos jours, la politique écologique encourage les constructeurs automobiles à réduire le poids global du véhicule. Des tôles d'acier fines d'épaisseur différente optimisant chaque partie de l'assemblage sont utilisées et les sidérurgistes développent des aciers de plus en plus résistants à savoir l'Acier Haute Résistance Avancé (AHSS) avec un bon compromis entre résistance mécanique et ductilité (emboutissage). Lors des essais mécaniques de soudage hétérogène AHSS, des modes de fractures inhabituels sont observés, notamment le long de l'interface entre la zone affectée par la chaleur (ZAT) et la zone de fusion ou zone fondue (ZF). Ces fractures se produisent généralement avec une résistance inférieure à celle attendue pour ces soudures. Les objectifs de l'étude sont de comprendre les mécanismes de rupture au cours des essais mécaniques et de créer un modèle mécanique de FE conçu pour prédire la résistance mécanique des assemblages soudés. Tout d'abord, une étude de soudage hétérogène constituée de deux nuances d'acier bien connues d'ArcelorMittal vise à comprendre le mécanisme de défaillance et les paramètres affectant les modes de défaillance. Différentes configurations sont étudiées avec l'épaisseur. Le modèle FE est construit avec une réponse mécanique identifiée de chaque zone (matériaux de base, zones affectées par la chaleur et zone de fusion), en utilisant des modèles d'ArcelorMittal et des données expérimentales. Des critères de défaillance basés sur des dommages ductiles tenant compte de l'influence de la triaxialité sont utilisés et certains éléments cohésifs sont utilisés pour simuler une défaillance interfaciale. Deux configurations d'essais mécaniques dans le cas du soudage par résistance par points (essais de traction transversale et de traction) sont considérées. Les prédictions du modèle étaient très précises avec les modes de défaillance et les forces expérimentaux. Ensuite, cette méthode de modélisation FE a été appliquée avec succès à un boîtier de soudage par points très hétérogène comprenant un nouveau concept AHSS basse densité de troisième génération à forte teneur en aluminium et en manganèse. Les modes d'échec et les forces obtenues étaient comparables. De plus, la méthode de modélisation FE a été appliquée sur des configurations plus complexes, en particulier sur un assemblage soudé par points triple épaisseur. La robustesse du modèle pour prédire les modes de défaillance partielle et les forces d'une soudure par points triple épaisseur a été démontrée. En outre, la méthodologie de modélisation FE a été étendue à un autre type de soudage: le soudage à l'arc. Dans ce cas, deux feuilles sont soudées en configuration de chevauchement ab avec un fil d'apport. Le modèle FE permet de prédire la zone de rupture et la résistance de l'assemblage soudé. / Nowadays, ecological policy encourages carmakers to reduce the global vehicle weight. Fine steel sheets assemblies with different thickness optimizing each part of the assembly are used and steelmakers develop steels which are more and more resistant namely Advanced High Strength Steel (AHSS) with a good compromise between mechanical strength and ductility (stamping). During the mechanical tests of heterogeneous AHSS welding, unusual fracture modes are observed, in particular along the interface between the Heat Affected Zone (HAZ) and the Fusion Zone or molten zone (FZ). These fractures generally occur with lower strength than expected for these welding. The objectives of the study are to understand fracture mechanisms during mechanical testing and create a mechanical FE model is developed to be able to predict mechanical strength of the welded assemblies. Firstly, a study of heterogeneous welding constituted of two well-known steel grades of ArcelorMittal aims at understanding failure mechanism and parameters affecting the failure modes. Different configurations are studied with thickness. FE model is built with mechanical response identified of each zone (base materials, heat affected zones and fusion zone), using ArcelorMittal models and experimental data. Failure criteria based on ductile damage taking into account the influence of the triaxiality are used and some cohesive elements are used to simulate interfacial failure. Two configurations of mechanical testing in the case of Resistance Spot Welding (cross tension and tensile shear tests) are considered. Model predictions were very accurate with experimental failure modes and strengths. Then, this FE modelling method was successfully applied to a highly heterogeneous spot welding case including a new third generation low density AHSS concept with high aluminum and manganese content. Failure modes and strengths obtained were comparable. Moreover, FE modelling method was applied on more complex configurations, in particular on a triple thick spot welded assembly. The robustness of the model to predict partial failure modes and strengths of a triple thick spot weld has been demonstrated. In addition, FE modelling methodology was extended to another welding type: arc welding. In this case, two sheets are welded in ab overlap configuration with a filler wire. FE model allows predicting the failure zone and strength of welded assembly.

Actuellement, l’industrie automobile est à la recherche d’une meilleure solution pour l’allégement de la structure de véhicule afin de diminuer la consommation de carburant et par conséquent diminuer les émissions nocives de CO2. Les aciers à très haute résistance (THR) mécanique permettent d’obtenir les tôles d’acier à section diminué avec les mêmes ou meilleurs propriétés fonctionnels. Les aciers Dual-Phase (DP), constitués majoritairement d’une phase ductile, la ferrite, et d’une phase dure, la martensite, occupent une place importante en tant que matériaux de structure destinés au challenge préoccupant l’industrie automobile. Une bonne résistance à l’endommagement est exigée pour leur utilisation en tant que des pièces de structures et de renfort pour l’automobile. Il a été bien établi que la résistance à l’endommagement des ces aciers Dual-Phase est contrôlée par leur microstructure. Ce travail de thèse s’est inscrit dans une logique de compréhension des mécanismes d’endommagement d’un acier Dual-Phase modèle, le DP 780, en fonction de différents paramètres microstructuraux. Deux mécanismes d’endommagement ont été identifiés pour l’acier DP 780 : la décohésion de l’interface ferrite/martensite et la formation de cavités autour des carbures, dans la martensite revenue. Un modèle qualitatif de mécanisme d’endommagement a été développé afin de pouvoir prédire l’endommagement de l’acier DP 780. Ce modèle qualitatif, développé pour l’acier DP 780, servira de base d’approfondissement de modèles plus élaborés et quantitatifs permettant la compréhension et la prédiction de l’endommagement des aciers Dual-Phase, de façon générale / In the automotive industry current environmental concerns require that the vehicle fuel consumption and CO2 emissions should be reduced as much as possible. It is therefore advantageous to reduce the weight of body in white components by replacing existing parts with higher strength, thinner gauge alternatives with equivalent or improved functional properties. Dual Phase (DP) steels are a class of high-strength low-alloy steels characterized by a microstructure consisting of martensite and ferrite. Dual Phase steels combine high strength levels with good ductility. Thus, DP steels are potentially very attractive for the automobile industry. In addition to the required high strength and ductility, DP steel has to be cold formed into complex shapes. It appears that DP steel damage behaviour is very complex and cannot be predicted using existing models based on standard mechanical properties. This work is concerned with the study of microstructural evolution and investigation of the relation between the microstructure and damage mechanisms in a reference DP 780 steel. Two damage mechanisms have been identified in this DP steel: ferrite/martensite interface decohesion and void formation at tempered carbides. A simple modeling for qualitative description of the observed damage formation mechanisms is proposed. This modeling permits a basic understanding of the experimentally observed trends and could be used as the starting point for a more detailed analysis in future

Aujourd’hui, la technologie du béton ayant fortement évolué, il est, sous certaines conditions, réaliste de construire des éléments structuraux en béton ayant à la compression une résistance de 90N/mm² voire nettement plus. En conséquence, l’ingénieur concepteur peut être amené dans le cadre du dimensionnement des colonnes à en diminuer les dimensions transversales pour des raisons esthétiques ou d’encombrement. <p><p>Inévitablement, cette diminution de la section transversale induit une augmentation de l’élancement et augmente ainsi les risques des instabilités de flambement. <p>A cette question de flambement, il faut adjoindre l’influence d’une préconception qui veut qu’une structure en béton à haute résistance soit moins ductile qu’une structure construite avec un béton normal !De ceci résulte la question à la base de ce travail :<p><p>« Peut-on arriver à diminuer la section transversale d’une colonne en utilisant des résistances de béton plus élevées tout en imposant la même valeur de capacité portante et en ne réduisant pas leur ductilité ?»<p><p>Afin de répondre à cette question, le travail s’est articulé autour de deux axes essentiels qui sont d’une part une campagne d’essais (afin d’obtenir des résultats fiables) sur 12 colonnes en béton armé à haute résistance (90N/mm²) d’élancement 74 et 82 dont l’excentricité de la charge est une variable, et d’autre part l’implémen- tation de deux programmes informa- tiques utilisant le principe de l’analyse au second ordre en vue de réaliser une étude paramétrique dont l’excentricité, la hauteur des colonnes, la proportion d’acier, la résistance du béton sont les variables.<p><p>Trop souvent encore, les ingénieurs de bureau d’études hésitent à effectuer un calcul au second ordre et placés devant la question des dimensions de section à donner à une colonne de hauteur et de capacité portante imposées, déterminent celles-ci pour se satisfaire d’un calcul au 1er ordre. Au terme de notre étude, nous avons montré que cette approche est loin d’être optimale, qu’il est possible, au prix d’un calcul au second ordre (mais il est fait à l’ordinateur), de tirer profit d’une augmentation de la résistance du béton pour réduire les dimensions des sections et aboutir en toute sécurité à un dimensionnement plus économique en consommation de matériaux (acier, béton, ciment).<p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished