THÈSE - spé Mécanique 2001

N d’ordre : 2001-17 École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers Centre de Bordeaux THÈSE présentée pour obtenir le grade de DOCTEUR de L’ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE D’ARTS ET MÉTIERS Spécialité : MÉCANIQUE PAR Alexis BANVILLET PRÉVISION DE DURÉE DE VIE EN FATIGUE MULTIAXIALE SOUS CHARGEMENTS RÉELS : VERS DES ESSAIS ACCÉLÉRÉS Soutenue le 18 décembre 2001 devant le Jury d’examen : M. G. MAEDER Prof., Directeur de l’Ingéniérie des Matériaux, Renault, Guyancourt Président MM. J. PETIT Directeur de Recherches CNRS, LMPM-ENSMA, Poitiers Rapporteur C.M. SONSINO Professeur, LBF, Darmstadt, Allemagne MM. J-L. LATAILLADE Professeur, LAMEFIP-ENSAM, CER de Bordeaux Directeur de thèse H.P. LIEURADE Responsable du Dépt. Fatigue, Essais et Mesures, CETIM, Senlis Examinateur F. MOREL Maître de Conférences, LMPM-ENSMA, Poitiers T. PALIN-LUC Maître de LAMEFIP-ENSAM, CER de Bordeaux Co-directeur J-F. VITTORI Ingénieur, DIMAT, Technocentre Renault, Guyancourt Examinateur L’ENSAM EST UN GRAND ETABLISSEMENT COMPOSÉ DE HUIT CENTRES : AIX-EN-PROVENCE - ANGERS - BORDEAUX - CHALONS EN CHAMPAGNE - CLUNY - LILLE - METZ - PARIS“La grandeur des actions humaines se mesure à l’inspiration qui les fait naître.” Louis Pasteur “La science antique portait sur des concepts, tandis que la science moderne cherche des lois.” Henri Bergson A mon épouse, Sophie, mes parents, ma famille, mes amis ...Ce travail a été réalisé au Laboratoire Matériaux Endommagement Fiabilité et Ingéniérie des Procédés (LAMEFIP) de l’ENSAM CER de Bordeaux, dans le cadre d’un partenariat avec RE- NAULT. Je remercie Monsieur le Professeur Jean-Luc Lataillade, directeur du laboratoire et Mon- sieur Serge Lasserre, responsable du groupe fatigue au laboratoire pour m’avoir permis d’effectuer ce travail dans de bonnes conditions. Je remercie également Messieurs Jean-Yves Bérard et Jean- François Vittori qui ont impulsé et orienté avec tact mes travaux pour qu’ils répondent autant que possible aux besoins exprimés par Renault. Je remercie tout particulièrement Thierry Palin-Luc qui m’a encadré tout au long de l’étude, m’inspirant la rigueur nécessaire et un certain professionnalisme. Il s’est fortement impliqué dans ce travail et je lui en suis reconnaissant. Messieurs les Professeurs C.M. Sonsino et J. Petit m’ont fait le plaisir et l’honneur d’être rapporteurs de ma thèse, je les remercie vivement pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail. Leur recul scientifique et leurs compétences techniques sont des sources d’inspiration. Je remercie également sincèrement Monsieur le Professeur G. Maeder et Monsieur H-P. Lieu- rade qui a examiné mon travail avec soin et ont valorisé mon travail d’un point de vue industriel, ce qui est une de mes grandes préocupations. L’honneur que m’a fait G. Maeder d’être président de mon jury de thèse est un beau cadeau. Je remercie Franck Morel pour m’avoir fait le plaisir de participer à mon jury de thèse. J’ai eu également beaucoup de plaisir à travailler avec lui au cours de l’étude. J’ai eu aussi le plaisir de travailler avec Alain Sorel (Renault) qui a optimisé la bonne collabo- ration ENSAM-Renault, par sa disponibilité et son sens relationnel. Le Professeur E. Macha (Technical University of Opole) m’a fait l’honneur de sa collaboration scientifique. Je lui en sais gré. Jean-Luc Charles et Laurent Tournié ont été des collègues précieux, voire indispensables, tant d’un point de vue technique qu’humain, je les félicite car ils ont grandement participé à la réali- sation ce travail. Mathieu Lasserre a également été un soutien technique précieux. Je le remercie sincèrement. Je n’oublie pas de remercier Monsieur J. Hunter (Alliance Automation) et Madame E. Sel- lier (C.R.E.M.E.M.- Université de Bordeaux 1) qui ont participé à la bonne réalisation de mes investigations expérimentales. Je remercie particulièrement Michel Delanoy (alias Gégène) dont la bonne humeur et la géné- rosité m’ont accompagné même après son départ à la retraite ; ainsi que l’ensemble des techniciens du laboratoire : Jean-Marie, Christophe. Je remercie également Marinette Dumon, secrétaire au la- boratoire, pour sa disponibilité, et le couple Francis et Francis. Je n’oublie pas les autres membres du laboratoire (permanents ou non), Pierre, Cathy, Laurent, Frédéric, Didier, Phillipe, Dominique ... j’ai eu beaucoup de plaisir à travailler avec eux.Enfin, et ce ne sont pas les moindres, je remercie mes collègues et amis doctorants : Zouheir, Flavien, Thomas, Mathieu, Victor. Ils ont tous mes encouragements pour la suite et ma reconnais- sance pour l’ambiance conviviale et chaleureuse qu’ils ont mis au laboratoire. Il est sûr que j’oublie certaines personnes... qu’ils m’en excusent. Trois années m’ont permis de rencontrer beaucoup de personnes, qui ont toutes eu un rôle dans ma vie et par conséquent dans la construction de ce travail. Ils se reconnaîtront.Prévision de durée de vie en fatigue multiaxiale sous chargements réels : vers des essais accélérés Alexis BANVILLETTable des matières Introduction 7 1 Bibliographie : Comptage et prévision de durée de vie en fatigue multiaxiale 9 1.1 Prévision de durée de vie : généralités et définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Les méthodes de comptage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.1 Différentes méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2 Méthode RAINFLOW de comptage de cycles . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.3 Le comptage de “cycles” pour des états de contraintes multiaxiaux . . . . 16 1.2.4 Discussion sur les méthodes de comptage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3 Les méthodes de prévision de durée de vie en fatigue multiaxiale . . . . . . . . . . 21 1.3.1 Les approches en déformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 -Les en normale ou déformation de cisaillement . . . 23 -Méthode de Wang et Brown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 -Méthode de Fatemi et Socie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.3.2 Les approches en contrainte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 -Méthode de Macha et Bedkowsky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 de Robert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 -Méthode de Preumont, Piéfort et Pitoiset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 de Morel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 -Méthode de Stephanov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 1.3.3 Les approches énergétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 -Méthode de Bannantine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 de Lagoda et Macha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 1.4 Analyse et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2 Conditions Expérimentales 57 2.1 Présentation de la fonte GS61 testée lors des essais sous séquences de chargements réels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.1.1 Composition chimique de la fonte GS61 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.1.2 Microstructure de la fonte GS61 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.1.3 Caractéristiques mécaniques monotones de fonte GS61 . . . . . . . . . . . 59 2.1.4 cycliques de la fonte GS61 . . . . . . . . . . 60 2.2 Eprouvettes utilisées pour les essais de fatigue sur la fonte GS61 . . . . . . . . . . 61 2.2.1 Géométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.2.2 Différents lots - Numérotation des séries d’essais . . . . . . . . . . . . . . 61 3 TABLE DES MATIÈRES 2.2.3 Etats de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.3 Machine d’essai de fatigue en flexion - torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.3.1 Présentation et principe mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.3.2 Principe de l’asservissement [79] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.3.3 Asservissement des séquences de chargements “aléatoires” ou réels . . . . 66 2.3.4 Précision de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3.5 Détection de fissure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.4 Analyse par Eléments Finis des contraintes et déformations locales . . . . . . . . . 69 2.4.1 Hypothèses de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.4.2 Discrétisation géométrique et conditions aux limites pour modéliser les essais de flexion plane et torsion combinées . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.4.3 Influence du déphasage entre les sollicitations de flexion et de torsion sur les contraintes et les déformations locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.4.4 Mise en évidence de phénomènes remarquables lors des simulations des essais complémentaires de traction =0,5 . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.4.5 Interprétation et discussion des résultats de calculs par éléments finis . . . 77 2.5 Dépouillement des essais de fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.5.1 Essais simples ou combinés à amplitude variable . . . . . . . . . . . . . . 78 2.5.2 Essais cycliques de traction sous fort chargement moyen . . . . . . . . . . 78 3 Essais de fatigue et confrontations prévisions /expérience 79 3.1 Choix des essais réalisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.1.1 Validité d’une variable de comptage sous chargements aléatoires combinés 79 3.1.2 Influence du désynchronisme entre des char de flexion plane et de torsion combinées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.1.3 Orientation de fissure macroscopique sous chargement complexe . . . . . . 82 3.2 Méthodes de calcul de durée de vie testées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.2.1 Rappel succinct de la formulation des méthodes testées . . . . . . . . .