Approche expérimentale et numérique de l’effet des inclusions métallurgiques sur la fatigue multiaxiale de l'acier 32CDV13

SUJET DE THESE – Approche expérimentale et numérique de l’effet des inclusions métallurgiques sur la fatigue multiaxiale de l'acier 32CDV13 dans les régimes des grandes et très grandes durées de vie

1. Contexte scientifique

Les composants mécaniques critiques des transmissions aéronautiques, en particulier ceux des boîtes de transmission principale des hélicoptères, sont soumis à des sollicitations cycliques intenses et répétées. Les pistes de roulements et les éléments de pignonnerie subissent des chargements combinant compression et cisaillement, induits par le passage répété des éléments roulants. La fréquence élevée de ces sollicitations, liée à la vitesse de rotation des arbres et au nombre d’éléments roulants, place ces composants dans des régimes de fatigue à grand et très grand nombre de cycles (HCF et VHCF).

Afin d’améliorer leur tenue en service, ces pièces font l’objet de traitements thermochimiques de surface tels que la cémentation ou la nitruration. Ces traitements permettent d’augmenter significativement la dureté et la limite d’élasticité en surface, tout en générant des contraintes résiduelles biaxiales de compression favorables à la résistance en fatigue de contact. Toutefois, ils induisent également des contraintes résiduelles de traction sous la couche durcie. Dans certaines conditions, l’addition des contraintes structurales, des contraintes résiduelles et des contraintes de contact peut conduire à l’amorçage de fissures à cœur du matériau.

Ces phénomènes sont particulièrement critiques lorsque le matériau contient des inclusions métallurgiques macroscopiques. Malgré les progrès réalisés ces dernières décennies en fatigue des matériaux, plusieurs verrous scientifiques subsistent concernant l’évaluation fiable de la tenue en fatigue en présence de défauts allongés et orientés soumis à des chargements multiaxiaux complexes [1–4]. L’emploi du diagramme de Kitagawa-Takahashi pour représenter l’effet de la taille des défauts est courante mais les modélisations associées sont peu nombreuses notamment quand il s’agit de tenir de la nature très dispersée des données en fatigue et des modes et trajets de chargement complexes [5–8]. Les effets de microstructure ont également été abordés, notamment sous l’angle de la dureté associée [6], mais les modélisations associées restent souvent délicates à mettre en œuvre [9,10].

Dans le cas des pièces de pignonnerie issues de barres laminées, ces défauts peuvent être fins mais fortement allongés dans le sens de l’extrusion, souvent organisés sous forme de chapelets d’inclusions dont la longueur cumulée peut atteindre plusieurs millimètres. Ces défauts, parfois non détectables par les techniques de contrôle non destructif classiques, peuvent constituer des sites privilégiés d’amorçage en fatigue VHCF sous chargement multiaxial.

Les conséquences d’une rupture en service de tels composants étant potentiellement catastrophiques, l’enjeu industriel est double : garantir un très haut niveau de sécurité tout en permettant un dimensionnement optimisé des pièces. Cela nécessite de quantifier à la fois l’impact de ces inclusions orientées sur la résistance en fatigue et leur faible probabilité d’occurrence. Dans ce contexte, les approches probabilistes de la fatigue, intégrées sur l’ensemble du volume des composants et tenant compte de la multiaxialité des chargements, apparaissent particulièrement adaptées. Néanmoins, leur mise en œuvre soulève encore plusieurs questions scientifiques majeures, notamment la prise en compte réaliste de la morphologie et de l’orientation des inclusions, l’effet du rapport de charge R en régimes HCF et VHCF, ainsi que l’adaptation des concepts de taille équivalente et de diagramme de Kitagawa à des états de contraintes multiaxiaux.

2. Description du sujet et du déroulement de la thèse

L’objectif principal de cette thèse est de développer et d’adapter une approche de modélisation probabiliste de la fatigue multiaxiale, intégrant explicitement l’effet des inclusions métallurgiques orientées, dans les régimes HCF et VHCF de l’acier 32CDV13. L’étude comportera à la fois un volet expérimental et un volet de modélisation, menés de manière complémentaire. Les travaux viseront à mieux comprendre et quantifier l’influence de la morphologie, de l’orientation et de la taille de ces défauts sur l’amorçage des fissures sous chargements multiaxiaux complexes.

Plus précisément, l’étude s’articulera autour des axes suivants, en lien direct avec les verrous scientifiques identifiés :

• Analyse bibliographique approfondie des approches existantes en fatigue multiaxiale, probabiliste et « fatigue from defect », ainsi que des modèles de type diagramme de Kitagawa
• Bilan de la variété des chargements critiques vue par les pièces Airbus, définitin de l'étendue des chargements à aborder dans les travaux
• Construction d’une campagne expérimentale adaptée et conduite des essais de fatigue sous différents modes de sollicitation afin d’approcher les conditions réelles d’amorçage et de micropropagation des microfissures autour des défauts. Recours à des défauts artificiels si nécessaire
• Exploitation et analyse de données expérimentales existantes et des résultats de la campagne expérimentale afin d’identifier les paramètres clés gouvernant l’amorçage en fatigue à partir d’inclusions métallurgiques macroscopiques et de fournir les éléments nécessaires à la calibration et à la validation des modèles
• Adaptation de l’approche de taille équivalente des défauts afin de prendre en compte des inclusions allongées et orientées, représentatives des défauts observés dans les pièces issues de barres laminées
• Prise en cmpte effective des effets du rapport de charge R et de la multiaxialité traction–torsion sur le diagramme de Kitagawa, dans un cadre probabiliste.

L’étude proposée combine ainsi un volet expérimental, destiné à caractériser les mécanismes d’amorçage et à alimenter les modèles, et un volet de modélisation à dominante probabiliste. Elle s’inscrit dans une démarche amont visant à lever les verrous scientifiques identifiés et à améliorer les méthodes de dimensionnement en fatigue des composants critiques soumis à des chargements multiaxiaux complexes.

Les travaux de thèse seront menés principalement au laboratoire LAMPA, avec une collaboration étroite avec Airbus Helicopters, incluant des périodes d’immersion en environnement industriel. Cette collaboration permettra d’assurer l’adéquation des développements méthodologiques avec les problématiques industrielles réelles et de favoriser la valorisation des résultats.

Informations pratiques

Profil du candidat : master 2, dernière année de cycle ingénieur, formation mécanique/matériaux. Le master recherche est un plus mais pas obligatoire (le candidat devra néanmoins pouvoir faire valoir d’une expérience en recherche et développement).

Début de l’étude : Rentrée universitaire 2026.

Localisation : Laboratoire LAMPA, ENSAM Angers (80% du temps) ; Airbus Helicopters Marignanne (20% du temps).

Bibliographie

[1]         Murakami Y. Metal fatigue: effects of small defects and nonmetallic inclusions. Second edition. Amsterdam London San Diego, CA: Academic Press, an imprint of Elsevier; 2019.

[2]         Merot P, Morel F, Robert C, Pessard E, Gallegos Mayorga L, Buttin P. Non local multiaxial fatigue modeling of defects : A unified approach to interpret size and shape effects. Theoretical and Applied Fracture Mechanics 2024;131. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2024.104378.

[3]         Pessard E, Morel F, Verdu C, Flacelière L, Baudry G. Microstructural heterogeneities and fatigue anisotropy of forged steels. Materials Science and Engineering: A 2011;529:289–99. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.09.031.

[4]         Pessard E, Morel F, Bellett D, Morel A. A new approach to model the fatigue anisotropy due to non-metallic inclusions in forged steels. International Journal of Fatigue 2012;41:168–78. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2012.01.005.

[5]         El Khoukhi D, Morel F, Saintier N, Bellett D, Osmond P, Le V-D. Probabilistic modeling of the size effect and scatter in High Cycle Fatigue using a Monte-Carlo approach: Role of the defect population in cast aluminum alloys. International Journal of Fatigue 2021;147:106177. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106177.

[6]         Schönbauer BM, Mayer H. Effect of Small Defects on the Fatigue Strength of Martensitic Stainless Steels. International Journal of Fatigue 2019;127:362–75. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.06.021.

[7]         Morel F, Morel A, Nadot Y. Comparison between defects and micro-notches in multiaxial fatigue - The size effect and the gradient effect. International Journal of Fatigue 2009;31:263–75. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2008.09.005.

[8]         Bellett D, Pessard E, Morel F. A flexible HCF modeling framework leading to a probabilistic multiaxial kitagawa-takahashi diagram. Advanced Materials Research 2014;891–892:1372–8. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.891-892.1372.

[9]         Liang X, Robert C, Hor A, Morel F. Numerical investigation of the surface and microstructure effects on the high cycle fatigue performance of additive manufactured stainless steel 316L. International Journal of Fatigue 2021;149. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106273.

[10]       Morel F, Guerchais R, Saintier N. Competition between microstructure and defect in multiaxial high cycle fatigue. Frattura Ed Integrità Strutturale 2015;9:404–14. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.33.45.

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master 2, dernière année de cycle ingénieur, formation mécanique/matériaux. Le master recherche est un plus mais pas obligatoire (le candidat devra néanmoins pouvoir faire valoir d’une expérience en recherche et développement).