Thèses : Comportement et durabilité des matériaux hétérogènes

Thèse soutenue en 2020 par Cédric BAIN (CIFRE Inorope) :

Thèse soutenue en 2020 par Loïc CARTERON (CIFRE Naval Group) 

Résumé : Le dimensionnement en fatigue à grand nombre de cycles de joints soudés nécessite la caractérisation expérimentale des paramètres d'influences liés au chargement mais également aux spécificités du joint soudé (géométrie, contraintes résiduelles, défauts liés au procédé, parachèvement). Face au nombre de combinaisons possibles, l'utilisation d'essais de fatigue classiques demanderait un temps et un coût difficilement acceptables. L'exploration de l'apport de mesures de champs de température sous sollicitations cycliques représente alors une piste intéressante pour alimenter d'une part les bases de données d'essai sur certains types de joints soudés, et d'autre part, permettre l'approfondissement d'autres problématiques liées aux assemblages soudés. Un protocole expérimentale d'étude de structures soudées est mis en place et appliqué à deux configurations : brut de soudage, et parachevée TIG. L'analyse des données d'essai met en évidence des mécanismes de ruine en fatigue différents pour chacune de ces configurations. L'adaptation d'une approche type "auto-échauffement" est envisagée sur structure parachevée TIG. En parallèle, une approche originale est développée pour caractériser les propriétés en fatigue de la configuration brute de soudage. Elle est basée sur un suivi quantitatif de la propagation des fissures et la mise en place d'un modèle probabiliste basé sur la mécanique linéaire de la rupture.

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Thèse soutenue en 2020 par Yoan CHEVILLOTE (avec France Energies Marines et Ifremer)

Résumé : La base de données scientifiques concernant les cordages d'amarrage en nylon est encore très limitée. Le déploiement de ces fibres pour l'ancrage permanent est donc actuellement impossible en raison du manque de données sur leurs propriétés mécaniques. Un des objectifs de cette étude est donc de fournir une meilleure compréhension du comportement mécanique et de l'endommagement par fatigue de ces cordes en polyamide, afin d'aider à la conception de lignes d'amarrage d'éoliennes flottantes. La présente étude comprend la caractérisation mécanique, la modélisation et la validation de celle-ci. La première partie étudiée est la modélisation du cordage. La caractérisation sur des sous-cordages de 4 tonnes implique une charge cyclique avec relaxation, permettant la caractérisation du câble avec un seul test. A partir de ce test, il est possible d'identifier chaque partie du modèle et de le valider sur différents tests, avant de le comparer aux résultats des tests effectués sur des sous-cordages de 8 tonnes. Ceci a conduit à un modèle simple 1D visco-élastoplastique assez proche du comportement du câble. La deuxième partie concerne les essais de fluage à long terme. Tout d'abord, une brève explication de la conception et de la construction de la machine d'essai sera faite. Ensuite, les résultats de 3 essais d'un an sur des sous-cordages de 4 tonnes seront présentés et comparés à d'autres résultats. Les résultats montrent des valeurs de fluage similaires à celles du polyester et peuvent être utilisés pour prédire si une remise en tension de la corde sera nécessaire. Dans la troisième partie, la durabilité du câble en polyamide sera évaluée. Tout d'abord, des tests d'abrasion ont été réalisés, afin de s'assurer que le revêtement utilisé est suffisant pour valider la résistance à l'abrasion sur des mèches de fils. Ensuite, des tests de fatigue standard ont confirmé que les durées de vie des cordages en polyamide sont largement suffisantes pour un amarrage permanent, avec une durée de vie supérieure à celle de la chaîne en acier même si un peu inférieure à celle du polyester. Enfin, une évaluation rapide de la fatigue par des tests d'auto-échauffement a été réalisée. Un résultat prometteur basé sur la mesure thermique de l'énergie dissipée du câble a permis de prédire sa durée de vie en fatigue en moins de deux jours.

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Thèse soutenue en 2020 par Prashant SANTHARAM (CIFRE Vibracoustic)

Thèse soutenue en 2020 par Vincent ROUE (CIFRE Safran Aircraft Engines) 

Résumé : Dans le contexte aéronautique, les méthodes de dimensionnement doivent être toujours plus efficaces. Il est alors nécessaire de disposer des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles pour de nombreux matériaux et à différentes températures. De plus, l’aspect dispersif de la fatigue peut rendre la caractérisation en fatigue délicate. Par des méthodes classiques, il est nécessaire de réaliser de très nombreux essais de fatigue, ce qui s’avère long et coûteux (d’autant plus pour des essais à haute température). L’objectif de l’étude est de mettre en place une méthode de détermination rapide des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles à partir de mesures d’auto-échauffement. Il s’agit alors d’un challenge expérimental de taille. En effet, le dispositif doit être capable de détecter les faibles variations de température de l’éprouvette, son auto-échauffement sous sollicitations cycliques, dans un environnement à haute température. Dans le cadre de ces travaux de thèse, des courbes d’auto-échauffement à différentes températures sont obtenus pour deux matériaux très différents : un alliage de titane TA6V pour des applications basse température des turboréacteurs (jusqu’à 350°C) et un superalliage monocristallin base nickel l’AM1, pour des applications d’aubes de turbine (à 950°C). L’analyse des courbes d’auto-échauffement du TA6V est réalisée à l’aide d’un modèle probabiliste à deux échelles. Il permet de faire le lien entre l’auto-échauffement du matériau et les propriétés en fatigue en décrivant l’activation de mécanismes dissipatifs. Avec le modèle et les hypothèses associées, il est alors possible de déterminer la limite d’endurance et la dispersion en fatigue à partir d’un seul essai d’auto-échauffement pour chaque condition de température et de rapport de charge. Cela constitue alors un gain considérable en termes de temps et de coût de caractérisation. Des études par simulations numériques ont été réalisées pour quantifier la robustesse de l’identification des propriétés en fatigue à partir de méthodes classiques (de type Staircase), et en comparaison avec le cadre du modèle probabiliste à deux échelles d’auto-échauffement. Le comportement en auto-échauffement du superalliage monocristallin est différent de ce qui est classiquement observé. Il ne rentre alors pas dans le cadre du modèle probabiliste à deux échelles d’auto-échauffement utilisé précédemment. Des études complémentaires sont présentées dans ce manuscrit afin de mieux comprendre ces aspects, notamment à partir des particularités de ce type de matériaux. Un auto-échauffement sous sollicitation cyclique est bien constaté à haute température, traduisant donc l’activation de mécanismes dissipatifs. Ce qui constitue des perspectives intéressantes pour l’étude de la fatigue de cette classe de matériau.

Thèses soutenue en 2019 par Julien LOUGE (financement : CIFRE ArcelorMittal) 

Résumé : Dans l’industrie automobile, les aciers laminés sont largement utilisés pour réaliser les pièces constitutives d’un véhicule. Les propriétés en fatigue à grand nombre de cycles de ces produits plats sont généralement déterminées sur le matériau dans son état tel que sortie d’usine (i.e., vierge de toute sollicitation) sous chargements cycliques uniaxiaux à amplitude constante. Cependant, la fabrication de pièce structurelle fait généralement intervenir des étapes de mise en forme qui ont pour conséquence de modifier l’état du matériau et donc d’impacter les propriétés en fatigue. D’autre part, les chargements en service réellement subi par une telle pièce sont souvent multiaxiaux et d’amplitude variable dans le temps. Cette étude a pour but de prendre compte les notions de multiaxialité et d’effets d’histoire de chargement lors de la caractérisation en fatigue par le biais de mesures d’auto-échauffement sous chargements cycliques. La caractérisation en fatigue multiaxiale fait généralement intervenir un critère de fatigue nécessitant la connaissance de la limite d’endurance du matériau sous sollicitation de cisaillement. Comme cette grandeur est difficile à obtenir pour le cas des produits plats, un nouvel essai de cisaillement et deux géométries d’éprouvette en forme de disque sont proposés, permettant d’utiliser des mesures d’auto-échauffement. Ainsi, la limite d’endurance sous sollicitation de cisaillement a pu être déterminée. Dans le but d’étudier l’impact des effets d’histoire sur les propriétés en fatigue, différents essais d’auto-échauffement ont été réalisés en considérant différents niveaux de pré-déformation plastique initial, différents pré-chargements cycliques et différents rapports de charge. Les résultats obtenus ont permis de proposer un modèle probabiliste à deux échelles permettant d’une part de décrire l’évolution des courbes d’auto-échauffement quel que soit l’effet d’histoire étudié et, d’autre part, de donner une bonne estimation de l’influence de ces effets sur les courbes S-N-P.

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Thèse soutenue en 2019 par Thomas GLANOVSKI (financement : CIFRE Treleborg)

Résumé : Les propriétés en fatigue d’élastomères renforcés au noir de carbone sont fortement conditionnées par leurs populations d’inclusions, qui sont générées par une formulation complexe et les étapes successives du procédé de fabrication (mélangeage, injection et réticulation). L’optimisation de ces propriétés implique d’abord être capable de décrire les caractéristiques statistiques de ces populations d’inclusions en termes de nature, taille, géométrie, orientation et dispersion spatiale. Ensuite, une compréhension fine des mécanismes de ruine est requise afin de définir la criticité des inclusions en terme de tenue mécanique en fonction de leurs caractéristiques, en particulier sous chargement cyclique. Cette étude présente d’abord les outils développés, qui reposent sur une analyse fine de données de micro-tomographies aux rayons X. Les résultats obtenus sur les populations d’inclusions et l’endommagement induit par ces dernières permettent de dégager le potentiel de ces outils et leurs limites actuelles, pour les matériaux considérés. L’existence d’inclusions atypiques, qui n’avaient jusque-là jamais été recensées dans la littérature, a ainsi pu être découverte. Le mécanisme de cavitation apparaît être le plus critique vis-à-vis de la fatigue puisqu’il semble mener à des micro-fissures se propageant dans la matrice. Une comparaison de la criticité des paramètres des inclusions vis-à-vis d’un critère en cavitation est réalisée graçe à une analyse paramétrique par éléments finis. Enfin, des mesures thermographiques à l’échelle des inclusions illustrent les investiguations complémentaires nécessaires à une meilleure compréhension des mécanismes d’endommagement à cette échelle