Cette étude traite de la prise en compte du gradient de contrainte et du frottement pour calculer l’amorçage de fissures en fatigue. On s’intéresse notamment au dimensionnement d’une manille en Inconel 718 munie de bagues en Inconel 718montées avec interférence. Pour cela, on réalise des essais de fretting et de fatigue pour étudier les conditions d’amorçage de fissures en présence de gradient de contrainte et de frottement. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l’effet du gradient des contraintes sur l’amorçage de fissures et justifient la prise en compte du gradient pour le dimensionnement en fatigue des structures. A travers ces essais balayant une gamme de gradient de contrainte étendue, on confirme que la présence d’un gradient de contrainte retarde l’amorçage de fissures. Les avantages et les inconvénients de plusieurs approches de fatigue multiaxiale intégrant le gradient de contrainte sont étudiés. De cette analyse, une proposition est faite permettant de décrire au mieux les résultats expérimentaux de fatigue et de fretting. Cette approche s’appuie sur l’utilisation d’une fonction de poids dépendant du gradient de la pression hydrostatique. Cette approche est similaire à des approches mises en oeuvre sur d’autres problématiques de fatigue ce qui permet de dégager quelques points de convergence pour traiter le problème du gradient de contrainte en fatigue. Un essai de fatigue sur une manille munie d’une bague montée avec interférence est réalisé. L’effet du gradient de contrainte sur l’amorçage de fissures dans ce système est trop faible pour que l’utilisation d’une approche intégrant l’effet de gradient soit pertinente. Cette observation est cohérente avec les résultats expérimentaux précédents obtenus dans cette étude. L’inconel 718 apparaît donc comme un matériau peu sensible à l’effet de gradient de contrainte. Une approche de fatigue multiaxiale de type Crossland permet une description raisonnable de la durée de vie du système. Une analyse numérique montre que la tenue en fatigue du système est peu sensible au coefficient de frottement alors que l’interférence a un impact beaucoup plus important.

Ce travail porte sur la prévision du risque de fissuration en fretting fatigue des contacts Teta/Frette des conduites flexibles servant à l’acheminement du pétrole et du gaz. Les mouvements de la houle produisent des micros déplacements typiques du fretting entre les fils de Teta et de Frette. Le problème des conduites flexibles est particulièrement complexe puisqu’il implique de prendre en compte des forts niveaux de pressions induisant de la plasticité et des sollicitations variables. Pour répondre à ce problème, des études expérimentales et numériques ont été menés en parallèle. L’étude de fissuration est divisée entre prévision du risque d’amorçage des fissures et étude des conditions de propagation. L’amorçage est étudié avec le critère de fatigue multiaxial de Crossland appliqué à distance critique pour prendre en compte les gradients de contrainte spécifiques au fretting. Cette distance critique est optimisée pour être représentative du large spectre de gradient des contraintes étudié. Il est montré que si la distance critique est constante quelle que soit le gradient des contraintes, elle est associée à une longueur de fissure amorcée dépendante du gradient (couple lopt-bopt). Cette approche optimisée, combinée à une loi élastoplastique représentative permet des estimations très précises des conditions d’amorçage des fissures. [...]

CE TRAVAIL A ETE CONSACRE A LA COMPREHENSION ET LA MODELISATION A L'ECHELLE MACROSCOPIQUE DES MECANISMES DE FISSURATION SOUS UN CHARGEMENT DE FRETTING FATIGUE STATIQUE (FFS). LES FISSURES SONT SOLLICITEES EN MODE MIXTE SOUS CONDITIONS NON PROPORTIONNELLES (CNP). LES CONCEPTS CLASSIQUES DE LA MECANIQUE ELASTIQUE LINEAIRE DE LA RUPTURE NE PERMETTANT PAS DE CONSIDERER CES DIFFERENTES CONDITIONS, IL ETAIT NECESSAIRE DE PROPOSER UNE NOUVELLE APPROCHE. POUR CELA NOUS AVONS MENE CONJOINTEMENT UNE ETUDE EXPERIMENTALE ET UNE ETUDE THEORIQUE. DEUX CAMPAGNES D'ESSAIS COMPLEMENTAIRES ONT ETE MENEES AFIN D'ETUDIER LA FISSURATION SOUS FFS. LA PREMIERE ETUDE A ETE CONDUITE SUR TROIS ALLIAGES D'ALUMINIUM AERONAUTIQUES. TOUTES LES OBSERVATIONS ONT ETE REALISEES APRES ESSAI DE FACON DESTRUCTIVE. LA REPONSE DES MATERIAUX A ETE ANALYSEE EN TERMES DE DEGRADATIONS. NOUS AVONS ENSUITE DEFINI LES SITES D'AMORCAGE ET LES DIRECTIONS DE PROPAGATION AU COURS DES STADES I ET II. LA SECONDE CAMPAGNE A ETE CONDUITE SUR UN MATERIAU PHOTOELASTIQUE. LA VISUALISATION EN TEMPS REEL DE L'EVOLUTION DES ISOCHROMES LE LONG DES FACES DE FISSURES NOUS INDIQUE LE COMPORTEMENT DES FISSURES. L'AMORCAGE ET LA PROPAGATION DES FISSURES ONT ETE OBSERVES EN TEMPS REEL. L'ETUDE DE L'EVOLUTION DES VITESSES DE PROPAGATION COUPLEE AUX OBSERVATIONS DES FACIES DE FISSURES NOUS A PERMIS DE DEFINIR DIFFERENTES PERIODES DE PROPAGATION. L'OBJECTIF DE L'ETUDE THEORIQUE ETAIT D'IDENTIFIER LES PARAMETRES MACROSCOPIQUES GOUVERNANT LES DIFFERENTES PERIODES DE PROPAGATION SOUS FFS. TOUT D'ABORD, NOUS AVONS ANALYSE LES MECANISMES D'AMORCAGE ET DE PROPAGATION AU COURS DU STADE I. NOTRE APPROCHE S'EST INSCRITE DANS LE CADRE DE LA MMC. ELLE NOUS A PERMIS DE PREVOIR LES SITES D'AMORCAGE PRES ET DANS L'AIRE DE CONTACT AINSI QUE LES PREMIERES DIRECTIONS DE PROPAGATION, SOUS DIFFERENTES CONDITIONS DE FRETTING. NOUS AVONS ENSUITE DEFINI LES CONDITIONS GOUVERNANT LA TRANSITION DU STADE I AU STADE II. ENFIN, NOUS AVONS DETERMINE LES DIRECTIONS ET MODES DE PROPAGATION AU COURS DU STADE II. AFIN DE PRENDRE EN COMPTE LES CNP EN POINTE DE FISSURES, UN CRITERE ADAPTE A NOTRE CHARGEMENT ET AU MATERIAU A ETE SELECTIONNE. POUR COMPLETER CETTE ANALYSE, UNE ETUDE PLUS DETAILLEE DES CHAMPS DE CONTRAINTES EN POINTE DE FISSURE NOUS A PERMIS DE DEFINIR PLUS CLAIREMENT LE MODE DE PROPAGATION DES FISSURES.

CE TRAVAIL A ETE CONCENTRE A L'ETUDE DU COMPORTEMENT ET A LA COMPREHENSION DU MECANISME DE FISSURATION A HAUTE FREQUENCE EN FATIGUE ET EN FRETTING-FATIGUE. LES PRINCIPAUX TRAVAUX DANS CETTE ETUDE SONT : DEVELOPPEMENT DE NOUVEAUX SYSTEMES D'ESSAI POUR LA FISSURATION ET LE FRETTING FATIGUE A HAUTE FREQUENCE ; CALCUL NUMERAL DU FACTEUR D'INTENSITE DE CONTRAINTE PAR LES ELEMENTS FINIS (PROGRAMME ANSYS) ; ETUDES EXPERIMENTAUX DU SEUIL DE FISSURATION A HAUTE FREQUENCE EN FATIGUE SUR DE NOMBREUX MATERIAUX (FONTE, ACIERS INOXYDABLES, TOLE MINCE ET ACIERS A RESSORT) ET EN FRETTING-FATIGUE SUR LES ACIERS A HAUTES RESISTANCES ; ANALYSES MICROSTRUCTURELLES DES MECANISMES DE FATIGUE A PARTIR DU MICROSCOPE ELECTRONIQUE A BALAYAGE. LA FATIGUE VIBRATOIRE A HAUTE FREQUENCE EST UN MOYEN PRATIQUE ET FIABLE POUR L'ETUDE DE COMPORTEMENT DE FISSURATION EN FATIGUE. LA FREQUENCE N'A PAS D'EFFET SIGNIFICATIF SUR LE SEUIL DE PROPAGATION. L'AUGMENTATION DE TEMPERATURE DUE A L'ABSORPTION D'ENERGIE ULTRASONIQUE N'EST PAS TRES IMPORTANTE POUR LES ESSAIS DE FISSURATION A FAIBLE VITESSE. COMME EN FATIGUE CONVENTIONNELLE, L'EFFET DU RAPPORT DE CHARGEMENT R ET DE LA FERMETURE DE FISSURE EXISTE EN FATIGUE VIBRATOIRE. LES MECANISMES DE FISSURATION SONT LES MEMES EN FATIGUE VIBRATOIRE QU'EN FATIGUE CONVENTIONNELLE LORSQUE LA COMPARAISON EST POSSIBLE. UN COEFFICIENT DE REDUCTION DE LA LIMITE DE FATIGUE EST TROUVE DE 3,5 FOIS DU AU FRETTING. EN FRETTING-FATIGUE A HAUTE FREQUENCE, LE MECANISME D'AMORCAGE ET PROPAGATION DES FISSURES A ETE ANALYSE, ET LE SITE D'AMORCAGE ET LA DIRECTIONS DE PROPAGATION ONT ETE DEFINIS. LA DUREE DE VIE DU FRETTING-FATIGUE ET DETERMINEE PAR LA PROPAGATION DE LA FISSURE PRINCIPALE. LA MECANIQUE DE LA RUPTURE A ETE UTILISEE POUR PREDIRE LA DUREE DE VIE ET LE SEUIL DE PROPAGATION DE LA FISSURE PRINCIPALE EST CORRESPONDANT A LA LIMITE D'ENDURANCE.

Les résultats présents dans ce mémoire mettent en évidence le rôle de la rugosité et du jeu, sur les conditions d'amorçage de fissure et sur la résistance au fretting. Tous les essais ont été réalisés en Traction/Compression, sur des chapes en acier 30 NCD 16. La rugosité n'a pratiquement pas d'influence sur la résistance au fretting, quelle que soit la charge (pour des fortes charges). Par contre la charge influe pour des chapes possédant une forte rugosité. L'amorçage d'une fissure se fait plus rapidement pour des faibles rugosités. Des chapes ayant un jeu important possédant la meilleure résistance au fretting, mais avec une importante dispersion. Les chapes ayant pas ou beaucoup de jeu ont une période d'amorçage très importante. Des micrographies ont permis de constater que pour les chapes possédant un jeu important les fissures s'amorcent au bord de l'alésage, tandis que pour les autres elles s'amorcent dans l'alésage.

Ces travaux sont consacrés à l'étude des mécanismes prépondérants pouvant intervenir dans l'endommagement en fretting-fatigue pour des alliages Al-Cu-Li. Afin d'apporter des réponses, une importante étude expérimentale a été menée en 3 sections distinctes : comportement en fatigue avec concentration de contrainte dans la pièce; résistance à l'endommagement en fretting; essais de fretting-fatigue. Un effort particulier est réalisé pour déterminer l'influence de la microstructure sur ces différents mécanismes. Dans les conditions testées en fatigue, les matériaux étudiés présentent des durées de vies similaires alors que les chemins de fissuration diffèrent aussi bien au niveau macroscopique que microscopique. L'analyse EBSD de zones fissurées met en lumière l'importance de la texture pour les alliages à l'état UA à la différence de ceux à l'état T8. L'état de précipitation est cependant le facteur le plus important contrôlant la morphologie de la fissure. Contrairement à la littérature, cette étude montre que les mécanismes de fretting ne sont pas indépendants de la microstructure. En effet, pour des conditions testées identiques, les alliages à l'état UA présentent un meilleur comportement à la fissuration que ceux à l'état T8. Deux techniques d'analyses 3D ont été utilisées afin de mettre en évidence l'effet de la microstructure. L'analyse des faciès de rupture des éprouvettes de fretting-fatigue a permis de décomposer le mécanisme d'endommagement en trois étapes: amorçage en fretting, propagation sous dominance mixte de la sollicitation de fretting et de fatigue, puis propagation uniquement contrôlée par la fatigue jusqu'à rupture brutale de l'échantillon.

Ce travail est consacré à l'étude de l'endommagement en fretting fatigue d'un alliage d'aluminium 5086H24 dans un assemblage boulonné. Des essais de fatigue et des essais de fretting - fatigue sont réalisés sur des éprouvettes avec un trou central suivi ou non d'une expansion et sur des assemblages boulonnés en « Alu - Acier ». Une analyse micrographique sur les surfaces de contact et sur les facies de rupture a été réalisée afin d'identifier l'endommagement de contact et les sites d'amorçage. Un calcul aux éléments finis, prenant en compte le contact, a été développé en vue de déterminer les champs de contraintes, de déformations et de déplacements. En l'absence du contact, l'amorçage et la propagation d'une fissure de fatigue sont bien connus, par contre lors du fretting fatigue, nous sommes en présence d'une compétition du fretting et de la fatigue et/ou de la combinaison des deux. Pour notre configuration, avec les investigations expérimentale, micrographique, et de calcul, nous avons identifié les différents sites d'amorçage et leur localisation qui sont directement liés à l'effort normal (pression de contact). Ces sites d'amorçage passent du bord du trou à la frontière de contact avec une orientation qui dépend fortement de l'effort normal. Dans cette étude, nous avons montré que l'expansion du trou n'a pas une influence significative sur la durée de vie et que l'amélioration de celle-ci dépend de la pression de contact. Une Carte de Réponse du Matériau CRM (par analogie au phénomène d'usure et/ou fretting) a été établit pour représenter les conditions de l'amorçage de fissures.