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Theses Year : 2011

Effect of high hydrostatic stress on the fatigue behaviour of metallic materials

Effet des fortes contraintes hydrostatiques sur la tenue en fatigue des matériaux métalliques

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Abstract

This work treats the effect of high hydrostatic stress on the high cycle fatigue resistance of metallic materials. The aim is to understand the effect of the mean stress (and more specifically very high mean stresses or load ratios), as well as the effect of a biaxial stress state (where biaxial implies two normal stresses). A vast experimental campaign was undertaken in which high cycle fatigue tests were performed on two materials, a cast aluminum alloy AlSi7Cu05Mg03 and a wrought aluminum 2024-O. The effect of the mean stress and the biaxiality on the fatigue behavior is investigated. Fatigue damage mechanisms are particularly studied. A literature review of different criteria found in the scientific literature is undertaken, with the aim of evaluating the capability of these different models to predict the effect of the mean stress and the biaxiality. A fatigue criterion for predicting the specific behavior of the cast aluminum alloy is proposed. Based on a probabilistic approach, this criterion takes into account the competition between the different damage mechanisms observed. It appears to efficiently predict the fatigue behavior for the two loading types studied. Observations conducted on different metal alloys, show that for very high load ratios, material damage created in the first ¼ cycle can modify the conditions under which fatigue cracks initiate. Consequently, a second fatigue criterion based on coupled plasticity and damage at the mesoscopic scale is put forward. It is shown that this approach is capable of reproducing the major experimental trends and in particular those relative to biaxial loading conditions.
Ces travaux de thèse traitent des effets des fortes contraintes hydrostatiques sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles des matériaux métalliques. Il s'agit d'étudier, d'une part, l'effet de la contrainte moyenne (et plus particulièrement des fortes contraintes moyennes ou forts rapports de charge) et, d'autre part, l'effet de la biaxialité. Dans une première partie, une campagne d'essais importante est réalisée sur deux matériaux, un alliage d'aluminium de fonderie AlSi7Cu05Mg03 et un alliage d'aluminium corroyé 2024-O. L'effet de la contrainte moyenne et de la biaxialité (dans le cas de chargement de traction biaxiale) sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) des matériaux est caractérisé. Une attention particulière est portée à la description et à l'analyse des mécanismes d'endommagement. Une étude des modélisations existantes dans la littérature est réalisée visant à donner un aperçu sur leurs capacités à prendre en compte les effets des fortes contraintes hydrostatiques. Une modélisation adéquate est ensuite proposée pour le cas particulier de l'alliage d'aluminium de fonderie étudié. Basé sur une approche probabiliste, elle permet de refléter la compétition entre les différents mécanismes d'endommagement locaux observés et de rendre compte efficacement des effets de moyenne et de biaxialité. Les observations conduites sur différents alliages métalliques ont également montré, pour les plus forts rapports de charge, qu'un endommagement généré lors du premier quart de cycle pouvait modifier les conditions d'apparition d'une fissure. Un critère de fatigue basé sur un couplage plasticité-endommagement à l'échelle mésoscopique est alors mis en place. Il rend compte des principales tendances expérimentales notamment celles relatives au chargement de traction biaxiale.
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Dates and versions

pastel-00599125 , version 1 (08-06-2011)

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  • HAL Id : pastel-00599125 , version 1

Cite

Imade Koutiri. Effet des fortes contraintes hydrostatiques sur la tenue en fatigue des matériaux métalliques. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Arts et Métiers ParisTech, 2011. Français. ⟨NNT : 2011ENAM0015⟩. ⟨pastel-00599125⟩
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