Le présent travail de doctorat vise à proposer une méthode de post-traitement de la plasticité, à partir de deux calculs éléments finis en élasticité, afin de déterminer la durée de vie de structures avec concentration de contraintes, comme les disques ou les aubes de turbines. Leur dimensionnement en fatigue avec des calculs éléments finis en plasticité conduit à des temps de calcul longs, voir prohibitifs. Les méthodes de types Neuber et l’analyse par changement d’échelles sont des alternatives beaucoup moins couteuses en temps de calcul. En effet, ces méthodes permettent d’estimer la plasticité localisée uniquement à l’aide de calculs éléments finis en élasticité. Néanmoins, lorsque l’état de contrainte est multiaxial, le post-traitement de la plasticité est très imprécis. Cette imprécision provient d’une mauvaise estimation de la triaxialité des contraintes. Les méthodes de type Neuber ont été d’abord enrichies par une description plus précise de la triaxialité des contraintes. Elles ont ensuite été validées sur des structures soumises à des chargements monotones. Cependant, cette méthodologie n’est pas adaptée pour les chargements multiaxiaux alternés. Pour remédier à ce problème, une approche fondée sur les lois de changement d’échelles a été développée. Les zones de plasticité confinée sont considérées comme des inclusions. Cette approche est également enrichie par une meilleure description de la triaxialité des contraintes. Le post-traitement de la plasticité obtenue sur les bords libres de structures soumises à des chargements alternés est précis. Cette méthode a finalement été appliquée sur les cas d’un disque et d’une aube de turbine. / This work aims to propose a method to estimate plasticity from two structural analyses in elasticity in order to determine the lifetime of structures with stress concentration, such as turbine discs or turbine blades. Fatigue analyses computed by the finite element method in plasticity leads to costly computations not always suitable. Energetic methods such as Neuber’s and the scale transition approach are much less expensive alternatives. Indeed, these methods are able to estimate localized plasticity at free edges only from both computations in elasticity. However, when the stress state is multiaxial, the estimation of the plasticity is inaccurate. This inaccuracy comes from a wrong estimation of the stress triaxiality. Expressions for the stress triaxiality at free edges of elastoplastic structures are established. These expressions are derived thanks to a new heuristic that unify uniaxial tension (plane stress condition) and plane deformation in a single case. The proposed expressions for the stress triaxiality are then used to enhance energetic methods (as Neuber and Glinka rules). Notched specimens subjected to monotonic loadings are studied. However, this methodology is not able to handle alternating loadings. To deal with this problem, a new scale transition approach is developed. Localized plastic areas are considered as inclusions. This approach is enhanced by the new heuristic of multiaxiality. The elastoplastic notch tip strains and stresses of structure subjected to complex alternating loadings are accurately estimated from both elastic analyses. This method is finally applied to the case of a turbine disk and a turbine blade of a jet engine.

The aim of this thesis is the construction of a diagram of fracture strain for high strength steel OCHN3MFA and its application for the estimation of fracture toughness of this material. The first part of the thesis contains the necessary theoretical framework for numerical modelling of tensile tests of various specimens - smooth specimen, specimen with a notch and specimen with a circumferential crack, it describes the influence of triaxiality on the fracture of bodies and the possibilities of construction of the diagram of fracture strain. Subsequently, a numerical model of these specimens is created using the finite element method (FEM). A non-linear, elastoplastic calculation is performed. Fracture is identified by means of comparing the true stress versus the strain obtained from tests with the finite element analysis results. Stress–strain states of specimens at the moment of fracture are obtained from a numerical model. A diagram of fracture strain is constructed, and it is used to estimate the fracture toughness of a cracked body. Finally, a local approach, which uses the diagram of fracture strain, and a classical approach of fracture mechanics, especially the stress intensity factor, are compared.

Ce travail vise à améliorer la compréhension et la modélisation de la rupture des matériaux métalliques à gradient de propriétés. L'application se fait sur des pignons en acier 20MnB5 carbonitrurés insérés dans un "recliner", mécanisme de sécurité des siègesautomobiles. Le traitement de carbonitruration consisteà enrichir en carbone et azote une couche externe despièces en les chauffant dans le domaine austénitiquedans une atmosphère riche en ces deux éléments. Puisles pièces sont trempées afin de déclencher unetransformation martensitique. On obtient ainsi unmatériau à gradient de propriétés, intéressant pour despièces de transmission de puissance comme lesengrenages. Ce projet a commencé par l’analyse de larupture de mécanismes de sièges en test industriel. Celaa confirmé le double comportement à rupture binaire dumatériau : fragile sur une couche externe, ductile àl’intérieur. Un banc d’essai, spécialement conçu pour ceprojet, soumet une dent à un effort latéral jusqu’àrupture complète. Des observations in situ sonteffectuées et la courbe force-déplacement estenregistrée, montrant la diversité de comportement enfonction de la profondeur d'engagement des dents et dela présence ou non de la couche carbonitrurée. Desessais de traction, de flexion 4 points et de cisaillementsur éprouvettes papillons sont utilisés pour mesurer lespropriétés plastiques et calibrer les critères de rupturede la couche carbonitrurée comme de l'acier de base. Laplasticité de Von Mises avec une loi d'écrouissagesimple rend très bien compte de tous ces essaismécaniques. Différents critères de rupture ductile issusde la littérature sont calibrés; ils ne parviennent pas àreprésenter correctement tous les essais réalisés.Un critère plus adapté est donc proposé enconclusion de cette campagne expérimentale. Lasimulation de la rupture dans LS-Dyna est réaliséeavec une technique d'érosion d'éléments dont leslimitations sont discutées. La comparaison avec larupture de dent expérimentale permet d'évaluer lescritères numériques identifiés et d'analyser leslimites actuelles de la simulation, en particulier lanécessité de prendre en compte plus finement àl'avenir le gradient de propriétés mécaniques ainsique les contraintes résiduelles de compression dela couche carbonitrurée. / This work aims at a better understanding and modeling of the failure of gradient metallic materials. It is applied to carbonitrided pinions made out of 20MnB5 steel, inserted in a "recliner", a safety mechanism of automotive seats. Carbonitriding induces high surface hardness while preserving significant core ductility. The experimental analysis of the fracture behavior of seat recliners in an industrial test confirmed the dual failure behavior of the component : brittle external layer, ductile core material. A test bench has been specifically designed for the project: one tooth is submitted to a lateral force until complete failure. In situ observations are performed and the load-displacement curve recorded, showing a variety of behaviors as a function of the teeth engagement depth and of the presence or not of the carbonitrided layer. Experimental tests with various tress states were conducted to measure plastic properties as well as to calibrate fracture criteria, for the carbonitrided layer and for the core steel. Von Mises plasticity and a simple strain hardening curve fit very well all these experiments. As fracture criteria from the literature were unable to predict failure correctly for all the mechanical tests, an adapted criterion has therefore been proposed as an outcome of this extensive mechanical testing campaign. Fracture simulation in LS Dyna has been performed using the element erosion technique, the limitations of which are discussed. Comparison with the experimental tooth fracture measurements allows evaluation of the proposed failure criteria, and enables to stress out and discuss the present limits of the simulation, concluding that it will be necessary in future work to account more finely for the mechanical property gradient together with the compressive residual stresses in the carbonitrided layer.

The industrial application of high strength steels in structural components has increased the demand on understanding the ductile failure behavior of this type of materials. In practical situations the loading experienced on components made out of these materials can be very complex, which may affect the failure behavior. The objective of this work is to study the effect of stress state on ductile failure and the mechanisms leading to rupture in high strength steels. The stress state is characterized by the stress triaxiality T and the Lode parameter L, which is a deviatoric stress state parameter that discriminates between axisymmetric or shear dominated stress states. For this purpose experiments on two different specimen configurations are performed; a double notched tube (DNT) specimen tested in combined tension and shear and a round notched bar (RNB) specimen tested in uniaxial tension. The two specimens give rise to different stress states at failure in terms of T and L. The failure loci for the DNT specimen show an abrupt change in ductility, indicating a transition between the rupture mechanisms necking of intervoid ligaments and shearing of intervoid ligaments. A clear difference in ductility between the two specimen configurations is also observed, which is closely associated with the difference in stress state at failure. A micromechanical model is developed, which assumes that ductile material failure occurs when the deformation becomes highly non-linear and localizes into a band. The model, which is applied to analyze the experiments, consists of a band with a square array of equally sized cells, with a spherical void located in the center of each cell. The model, extended with a shear criterion, captures the experimental trend rather well. The model also shows that the effect of the deviatoric stress state (L) on void growth, void shape evolution and coalescence is significant, especially at low levels of T and shear dominated stress state. / QC 20100621

Ces travaux portent sur l'étude expérimentale et numérique de la rupture de structures soudées soumises à des sollicitations pyrotechniques telles que celles subies par les véhicules militaires sur le champ de bataille. Ce travail de thèse présente le développement de modèles éléments finis détaillés (à l’échelle mésoscopique) permettant de reproduire le comportement de ces assemblages lorsqu’ils sont sollicités par ces sollicitations dynamiques. Ils prennent en compte la géométrie locale des cordons de soudure et les différents matériaux. Pour paramétrer ces modèles, il est nécessaire de caractériser la soudure à l’échelle des matériaux constitutifs de l’assemblage. Ainsi des essais de caractérisation de leur comportement mécanique sont menés en se basant sur les vitesses de déformation relevées sur des modèles éléments finis de véhicule : quasi-statique jusqu’à 1000s-1. Pour l’analyse de la rupture, une large plage de triaxialité des contraintes est couverte au travers d’essais dédiés. Pour chaque matériau, une loi de comportement et un critère de rupture ont été déterminés par analyse inverse et validés sur des grandeurs globales et locales. Afin d’étudier la pertinence des modèles mésoscopiques, des essais au canon à gaz sont réalisés sur des assemblages soudés élémentaires en L et en T. Ils permettent de reproduire les principaux modes de rupture observés sur les pièces réelles. In fine, les simulations corrèlent les essais en termes de mode et de seuil d’apparition de la rupture. Ceci valide les lois de comportement identifiées et la modélisation mésoscopique proposée. / Finite element modeling is commonly used to design armored vehicles and to evaluate the strength of the structure against mine explosion. This study investigates experimental and numerical failure of welded structures submitted to such dynamic loadings. The goal is to develop detailed finite element models at meso-scale that allow to predict the behavior and failure of welded joints at intermediate strain rates. These models must take into account the local properties of the welded joint as the geometries as the mechanical behavior of the constitutive materials. Experimental characterizations of the material behavior are led on tensile specimens from quasi-static loading up to 1000s-1. This strain rates range results from analysis on vehicle finite element models. Dedicated tests are also conducted to study the material failure on a large range of stress triaxiality values. For each constitutive material, the hardening and failure parameters are identified through a reverse engineering approach. To validate the meso-scale models, gas gun tests are led on basic L and T welded assemblies. Modes and thresholds of failure are correctly replicated thanks to these finite element models. This validates the identified material behavior laws and the proposed meso-scale modeling.

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