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Fiche détaillée Thèses
Ecole Centrale Paris (10/02/2012), Philippe Bompard;Véronique Aubin (Dir.)
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Amorçage de fissures en fatigue dans un acier 304L : influence de la microstructure et d'un chargement d'amplitude variable
Yan Li1

L'amorçage et la propagation de microfissures dans les matériaux à haute résistance représente une part importante de la durée de vie en fatigue, en particulier dans le cas d'un chargement à faible amplitude. Ces phénomènes, d'un grand intérêt scientifique, ont été de plus en plus étudiés au cours des dernières années. L'orientation cristallographique et les hétérogénéités de déformation induites influent sur l'amorçage et le comportement des microfissures de fatigue tant que leur taille caractéristique est inférieure ou de l'ordre de grandeur de la taille de grains. L'objectif principal de cette étude est de caractériser l'influence de la microstructure et d'un chargement cyclique à amplitude variable sur la plasticité cristalline et plus précisément sur l'amorçage de microfissures dans un acier inoxydable 304L. Le première partie de cette étude consiste à l'amélioration de la loi de comportement cristalline Cristal ECP codée dans le logiciel éléments finis ABAQUS afin de mieux prendre en compte la distribution et l'évolution de la densité de dislocations sur les systèmes de glissement. Ce travail permet également de décrire la formation des bandes persistantes de glissement qui sont responsables du durcissement et de l'adoucissement cyclique. La seconde partie de cette étude concerne l'évaluation de l'influence de la microstructure sur les valeurs locales des paramètres mécaniques utilisés pour les critères de fatigue aussi bien macroscopiques que microscopiques, et relier ces valeurs à l'amorçage de microfissures à l'échelle cristalline. Pour ceci, une comparaison est réalisée entre les résultats expérimentaux d'observation de surfaces et les simulations numériques d'agrégats 3D présentant les orientations cristallines réelles de ces éprouvettes. La simulation de la plasticité cristalline peut apporter une contribution utile pour la prédiction de la localisation et de l'intensité de l'amorçage de microfissures de fatigue, mais également aider à choisir un critère d'amorçage de microfissures basé sur des considérations mécaniques. La dernière partie de ce manuscrit porte sur les effets d'un chargement d'amplitude variable (séquence de surcharge) sur la plasticité cristalline et l'amorçage de microfissures. Deux modes de chargement ont été considérés pour les essais de fatigue : contrainte contrôlée et déformation contrôlée. Les essais avec surcharge en contrainte contrôlée présentent une durée de vie plus importante (six à neuf fois) que les essais avec surcharge en déformation contrôlée, ce qui est lié au durcissement cyclique important du 304L. De plus, les simulations montrent que sous chargement à déformation contrôlée, l'effet mémoire de la surcharge est dépendant du niveau du chargement qui suit la surcharge : cet effet mémoire est plus important dans le cas d'un chargement à faible amplitude (fatigue à grand nombre de cycles) qu'en fatigue oligocyclique à forte amplitude
1 :  MSSMat - Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux
Amorçage de fissures – Plasticité cyclique – Analyse des éléments finis

Fatigue crack initiation (in 304L steel) : influence of the microstructure and variable amplitude loading
Because fatigue crack initiation and propagation of microstructurally short cracks represent most of the fatigue life in high-strength materials, especially under low amplitude loading, the study of crack initiation is of significant importance and attracted increasing attention recently. As long as the microcrack size is comparable with the grain size, the microcrack initiation is strongly influenced by the crystallographic microstructure. The main purpose of this work is to study the influence of the microstructure and variable amplitude loading on cyclic plasticity and microcrack initiation in stainless steel 304L. The first part of this work aims at enriching the crystal plasticity code Cristal ECP to better simulate the evolution of dislocation densities on slip systems and formation of PSBs which are responsible for the fatigue cyclic hardening/softening behavior. The second part concerns the evaluation of the influence of local values of mechanical factors, issued from both macroscopic and microscopic fatigue criteria, on crack initiation in the grains through the comparison between experimental surface observations and numerical simulations of 3D aggregates with realistic crystallographic orientations. It is shown that the crystal plasticity simulation can give useful contributions to predict the crack initiation sites and severity, and help to select fatigue crack initiation criterion based on mechanical parameters which actually control the crack initiation. The last part studies the effects of the variable amplitude loading (high-low sequence) on cyclic plasticity and crack initiation. Both load- and strain-controlled fatigue tests were considered. Load-controlled tests present much longer lives (6 to 9 times) than in strain-controlled tests due to strain hardening. Furthermore, simulations show that under strain-controlled loading, memory effect of overload is dependent on the amplitude level of the low amplitude block, which is more significant in high cycle fatigue than in low cycle fatigue.
Crack initiation – Cyclic plasticity – Finite elements analysis