Comportement en fatigue d’une tôle d’acier : compréhension du phénomène d’auto-échauffement en fatigue vibratoire

Établissement ENSAM Angers :
Installé dans le quartier touristique de la Doutre depuis plus de 200 ans, au cœur d’Angers, le campus Arts et Métiers d'Angers propose plus de 17 000 m² dédiés à la formation et à la recherche. Doté d'espaces pédagogiques modulables, d'espaces de travail collaboratif et individuel, d'une usine-école et de laboratoires techniques de plus de 5 000 m², le campus offre un environnement d'apprentissage exceptionnel, au plus près des besoins des entreprises.
Le campus développe plus particulièrement des expertises en infrastructures, procédés innovants, réalité virtuelle et augmentée, méthodologies de conception et délivre le diplôme d'ingénieur Arts et Métiers généraliste par voie d'apprentissage. Le campus d'Angers est un acteur clé de l'industrie du futur dans la région des Pays de la Loire, 3e région française en termes de dynamisme industriel.

Laboratoire LAMPA :
Implanté sur deux sites, le campus d’Angers et le pôle de réalité virtuelle de Laval, le LAMPA intervient dans les domaines de l’innovation, des procédés avancés de fabrication et de durabilité des matériaux et des structures. Le numérique et le virtuel sont au cœur des travaux de recherche, par exemple la simulation numérique du procédé pour la compréhension des phénomènes thermiques et mécaniques en jeu.

La fatigue constitue l’un des mécanismes prépondérants de défaillance des structures métalliques soumises à des sollicitations cycliques. Ce type de sollicitation induit, au sein des matériaux, des processus dissipatifs responsable d’un phénomène d’auto-échauffement. La littérature scientifique a mis en évidence une corrélation entre la limite d’endurance et l’élévation de température engendrée par des sollicitations répétées [1, 2, 3].

Les travaux existants traitant de la relation entre fatigue et auto-échauffement concernent, pour la plupart, des sollicitations uniaxiales appliquées à des fréquences « faibles », de l’ordre de quelques centaines de Hz maximum [2, 3, 4, 5]. Des recherches plus récentes ont cependant amorcé une diversification, soit en considérant d’autres chargements [6], soit en s’intéressant à des fréquences bien plus élevées, de quelques dizaines de kHz, à l’aide d’une machine de fatigue ultrasonique [7].

Dans la perspective de développer les connaissances scientifiques sur les domaines énoncés précédemment, l’utilisation d’un pot vibrant (voir Figure 1) apparaît comme une approche expérimentale particulièrement intéressante. Cet équipement permet d’étudier différents modes de sollicitation [8, 9], et ceci sur une gamme de fréquences significativement plus étendue. Le présent projet se concentre sur ce dernier aspect.

L’utilisation du pot vibrant repose sur l’excitation de l’éprouvette à sa fréquence de résonance propre. Cette dernière dépend de paramètres tels que la géométrie, les dimensions et l’état d’endommagement de l’éprouvette. Cette fréquence peut varier de quelques dizaines de Hz à plusieurs kHz.

La problématique de ce travail consiste en l’étude d’une possible relation entre l’évolution de cette fréquence de résonance et l’énergie dissipée par le matériau lors des sollicitations vibratoires.

Objectifs du stage (stage à effectuer sur le site du LAMPA Angers):

• État de l’art : établir une revue bibliographique relative aux essais de fatigue vibratoire et aux essais d’auto-échauffement associés à différentes plages de fréquences.
• Conception d’éprouvettes et simulation : définir une géométrie innovante permettant d’obtenir, dans le cas d’une flexion simple, des fréquences de résonance couvrant un large de spectre, à l’aide de simulations Abaqus, en tenant compte des spécificités du pot vibrant.
• Développement expérimental : concevoir et mettre en œuvre un protocole expérimental de type « auto-échauffement », intégrant une caractérisation conjointe des réponses thermique et fréquentielle.
• Campagne d’essais : réaliser les essais pour l’ensemble des fréquences de résonance définies, en suivant le protocole établi.
• Analyse et interprétation : quantifier et interpréter l’influence de la fréquence de sollicitation sur l’énergie dissipée pour différents niveaux de chargement mécanique.

Références bibliographiques :

[1] : Stromeyer, C. (1914). The Determination of Fatigue Limits under Alternating Stress

Conditions. Royal Society of London.

[2] : Luong, M. P. (1998). Fatigue limit evaluation of metals using an infrared thermographic

technique. Mechanics of Materials, 28(1) :155–163

[3] : G. La Rosa and A. Risitano (2000) Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components. Int. J. Fat. 22 [1], 65-73. https://doi.org/10.1016/S0142-1123(99)00088-2

[4] : Munier, R. (2012). Etude de la fatigue des aciers laminés à partir de l’auto-échauffement

sous sollicitation cyclique : essais, observations, modélisation et influence d’une pré-déformation plastique. phdthesis, Université de Bretagne occidentale - Brest.

[5] : Ballésio, S. (2024). Caractérisation et modélisation de la tenue à la fatigue et à la corrosion de l’acier inoxydable super duplex 2507 obtenu par fabrication additive LP-DED. phdthesis, Institut Polytechnique de Paris.

[6] : Guellec, C. (2023). Caractérisation en fatigue à grand nombre de cycles par mesures d’auto-échauffement des aciers d’arbres de transmission pour application navale sous chargements cycliques complexes. phdthesis, ENSTA Bretagne.

[7] : Sevede, T. & al. (2024). Determination of the heat source field associated to

self-heating phenomenon under cyclic loading at 20 kHz. ZAMM, 104 :12. https://doi.org/10.1002/zamm.202400702

[8] : Varela de Albuquerque Dupke, A. & al. (2026). Novel high cycle vibration-based fatigue test for pure shear loading. Int. J. Fat., 202. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2025.109180.

[9] : Banide, T. (2023). Détermination Numérique et Expérimentale des Critères d’Arrêt des Essais de Fatigue-Vibratoire. MA thesis, Polytechnique Montréal, available at: https://publications.polymtl.ca/56665/.

Nous recherchons un(e) étudiant(e) motivé(e) de niveau bac+5, ayant suivi une formation en mécanique des solides, structures et matériaux. Le/la candidat(e) devra manifester un fort intérêt pour la recherche académique et souhaiter travailler sur des phénomènes couplés (thermo‑mécanique en essais vibratoires).

Ce stage abordera à la fois des aspects expérimentaux et numériques, mais pourra être adapté aux objectifs d’apprentissage du/de la candidat(e). Le début du stage peut-être modulé en fonction de la disponibilité du/de la candidat(e) (début envisagé durant le premier semestre 2026). Enfin, des perspectives de poursuite en thèse de doctorat sont envisagées.