Groupe de Physique des Matériaux - UMR CNRS 6634

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Comportement cyclique et durée de vie

par LABGPM - publié le , mis à jour le

Ce thème inclut des travaux sur des matériaux divers : aciers austénitiques 304 et 316 ; aciers ferritiques XC18, 35NCD16 et 100C6 ; alliage d’aluminium 2017, alliages de cuivre-zinc, composites à matrice organique… . Nous donnons ci-après deux exemples de nos travaux dans ce thème : l’un sur un alliage métallique et l’autre sur un composite.

Comportement élastoplastique cyclique de l’acier 304L à 20°C

Le comportement cyclique de l’acier 304L retient l’attention d’un grand nombre de chercheurs à travers le monde depuis près de 3 décennies. Nous apportons des contributions dans 3 directions principales : observation macroscopique, relations micro-macro et modélisation phénoménologique. Voici quelques exemples de nos apports dans ces 3 directions.

Observations macroscopiques :
Sous déformations imposées suivant des trajets non proportionnels, nous avons montré par exemple que le matériau présente un durcissement cyclique même sous faible amplitude de déformation (0.2%). Ce résultat contraste avec les observations en traction-compression (figure 1).
Sous contraintes imposées, nous avons montré par exemple qu’il est impossible de prédire le comportement cyclique d’un tel acier à l’aide d’une théorie indépendante du temps. En effet, il s’avère que l’évolution cyclique de la déformation plastique observée dans les essais à contraintes imposées en traction-compression (à 20°C) est essentiellement due au caractère visqueux du matériau, le phénomène de rochet n’est pas significatif dans ces conditions (figure 2). L’observation de ce phénomène en conditions de chargement multiaxiales est quant à elle incontestable. L’analyse du comportement de l’acier austénitique 316L à l’ambiante conduit aux mêmes conclusions.



Figure 1 : Comparaison du comportement cyclique sous déformation imposée de 0.22% : adoucissement sous chargement proportionnel et durcissement sous chargement non proportionnel (Taleb-Hauet, IJP, 2009). Figure 2 : Un temps de maintien à la contrainte max lors du 1er demi-cycle annihile la progression cyclique de la déformation qui est donc due au fluage et non au phénomène de rochet (Taleb-Cailletaud, IJP, 2011)

Relations micro-macro

Dans une de nos études, nous avons revisité l’effet du croisement en appliquant alternativement un cycle de traction-compression suivi d’un cycle en torsion puis traction-compression puis torsion et ainsi de suite... L’origine du sur-écrouissage observé sous un tel chargement par rapport à un trajet proportionnel a été reliée à une plus grande densité de défauts (micromâcles et défauts d’empilements) ainsi qu’à une transformation martensitique au niveau des croisements de ces défauts (Taleb-Hauet, 2009) comme on peut le voir sur la figure ci-dessous : largeur de l’image environ un micron.


Comportement de composites à matrice organique et fibres de carbone

Le développement des matériaux composites à matrice organique thermoplastique (TP) repose sur une meilleure connaissance de leur comportement à long terme (fatigue ou fluage) à haute température. Quand la température d’utilisation en service dépasse la température de transition vitreuse (Tg) du matériau, les propriétés mécaniques de la matrice polymère se dégradent, et leur comportement mécanique devient fortement dépendant du temps. Les travaux menés visent à apporter des éléments de réponse tant du point de vue expérimental que modélisation numérique du comportement.
D’une part, les essais réalisés ont permis de mettre en évidence le comportement visqueux (viscoélastique et viscoplastique) très marqué à 120°C des matériaux composites TP (PPS et PEEK) à renforts tissés de fibres de carbone (cf. Fig. 3), ainsi qu’un visco-endommagement prépondérant pour le comportement en fatigue (cf. Fig. 4). En outre, l’originalité de l’étude porte notamment sur l’influence du fluage sur la durée de vie en fatigue, dans le but d’en comprendre les interactions.
D’autre part, afin de rendre compte de la réponse du matériau pour des sollicitations à long terme, et afin d’évaluer la contribution spécifique des différents mécanismes mis en évidence expérimentalement, une modélisation basée sur une approche méso-macro a été adoptée et intégrée numériquement dans Cast3M. Elle permet de prédire, à partir de la modélisation du monocouche, le comportement visco-élasto-plastique endommageable à haute température de stratifiés C/TP à renfort tissé (cf. Fig. 3).



Fig. 3 – Essai fluage-recouvrement multi-paliers (de 40 à 80 MPa) : Comparaison expérience-simulation par un modèle viscoélastique spectral et viscoplastique Norton généralisé. Fig. 4 – Réponse cyclique à 120°C d’un stratifié C/PPS [±45]7 à 50 % de la charge à rupture pour une fréquence de 10Hz (Durée de vie 51000 cycles)

Collaborations industrielles
Les relations industrielles et la valorisation de la recherche ont toujours occupé une place importante dans les travaux de l’équipe notamment dans le thème de recherche « comportement cyclique et durée de vie ». Nous avons des relations avec les principaux secteurs industriels : automobile, nucléaire et aéronautique. Nous donnons ci-après un aperçu sur cette collaboration à travers deux exemples de partenariats en cours.

Contrat de collaboration avec EDF : Ce travail met l’accent sur l’effet du pré-écrouissage sur la durée de vie d’aciers austénitiques de type 304L. Nous avons montré qu’un pré-écrouissage préalable du matériau réduit considérablement sa durée de vie sous déformations imposées et ce, même en présence de contrainte moyenne de compression (voir figure) ! En revanche, le pré-écrouissage améliore la durée de vie sous contraintes imposées. Ces résultats concernent des chargements en traction-compression à 20°C. Récemment une poursuite de cette collaboration a mis l’accent sur les analyses microstructurales (MEB et MET) visant à expliquer les mécanismes physiques responsables de la réduction/allongement de la durée de vie après pré-écrouissage (Taheri et al., 2011).



(a) Phase de pré-écrouissage et point d’arrêt autour duquel on réalise un essai de fatigue (+/-0.226%) dont les résultats comparés au cas du matériau sans pré-écrouissage préalable sont donnés en (b).

Contrat de collaboration avec la société FAVI : Cette société est le leader mondial en fonderie sous pression d’alliages cuivreux. Notre travail de collaboration s’inscrit dans le cadre d’une thèse CIFRE et vise l’analyse du comportement et la durée de vie des alliages utilisés dans la fabrication des fourchettes de boîte de vitesses automobiles.