Propagation de fissures en fatigue oligocyclique multiaxiale à haute température pour le superalliage HAYNES® 188

Résumé de la thèse en français

Cette étude s'inscrit dans le cadre du projet ANR SEMAFOR (ANR-14-CE07-0037) (Simulation et caractérisation Expérimentale de la FissuratiOn en plasticité généRalisée) en partenariat avec l'ONERA, LMT Cachan et SAFRAN. Sous les conditions de hautes températures, certaines pièces aéronautiques subissent des chargements sévères nécessitant de prendre en compte la propagation de fissures de fatigue pour optimiser le dimensionnement et la sécurité des pièces. L'intensité des chargements et des températures provoquent une forte plastification dans la zone de propagation de fissures. Le matériau de l'étude est un superalliage à base de Cobalt, le HAYNES 188, utilisé principalement pour les chambres de combustion aéronautiques. Cette étude consiste à caractériser expérimentalement la propagation de fissure en fatigue oligocyclique sous sollicitations biaxiales. La conception d'un essai original de propagation de fissure à haute température est développée pour des chargements biaxiaux coplanaires. Un inducteur de type pancake a été conçu afin de réduire le gradient thermique dans la zone centrale de l'éprouvette. Ce dispositif a été utilisé pour construire une étude approfondie d'essais biaxiaux dans les conditions de fatigue oligocyclique à haute température. Les mesures des champs de température par thermographie infra-rouge et une méthodologie expérimentale ont ainsi été mises en place afin d'appréhender au mieux les conditions de propagation de fissure. La détermination expérimentale des vitesses de propagation de fissures est l'un des objectifs majeurs de l'étude. Les essais ont été modélisés à l'aide de calculs par éléments finis. Un post-processeur, sans insertion de fissure, a permis de valider un modèle macroscopique de propagation de fissure basé sur des grandeurs énergétiques. A l'aide d'outils de remaillage conforme, la propagation de fissure a été modélisée par introduction explicite de la fissure observée expérimentalement. Cette démarche a permis d'analyser les grandeurs mécaniques pilotant la propagation de fissure de fatigue sous les conditions de plasticité étendue à haute température, afin d'établir des outils de modélisation 3D de propagation de fissure explicite.

Résumé de la thèse en anglais

This study is concerned with the SEMAFOR (ANR-14-CE07-0037) project in collaboration with ONERA, Mines ParisTech, LMT Cachan and Safran. In very high temperature condition, as found for some engine aircraft components, crack could initiate near perforated zones. Once a crack is initiated, further degradation by crack growth is the result of a complex set of phenomena: multiaxial fatigue loading, thermal gradients and large scale yielding under oxidizing environment. The purpose of this study is to analyse the fatigue crack growth of the superalloy HAYNES 188 under such conditions with biaxial tests. The design of an original experiment is a challenging issue to conduct biaxial tests at high temperature. A specific inductor (pancake) was designed to decrease thermal gradient within the gage length. Subsequent thermal field has been measured using Infra-red thermography. An experimental methodology was developped to ensure a deep analysis of the crack growth. One of our major purpuse is the determination of the experimental fatigue crack growth rate in such conditions. A finite element numerical analysis was achieved using a post-processing methodology based on energy partition. This model has been successfully validated, at first without crack insertion, for cruciform specimen tests with neither modification of the model constitutive parameters. Using consistent remeshing tools, crack propagation was modeled by explicit introduction of the crack observed experimentally. This approach leads to analyze the mechanical quantities controlling the fatigue crack growth under large scale yielding at high temperature, in order to establish tools for 3D modeling of explicit crack propagation.

Titre anglais : Crack growth under multiaxial low cycle fatigue at high temperature for the HAYNES® 188 superalloy
Date de soutenance : jeudi 28 novembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris – V107
Directeurs de thèse : Vincent MAUREL, Alain KOSTER

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Caractérisation mécanique d'alliages de titane soudés par friction linéaire

Résumé de la thèse en français

Le comportement mécanique en traction, la résistance en fatigue et la ténacité de joints soudés par friction linéaire (LFW) en titane (Ti) ont été étudiés et comparés aux matériaux de base (MB). Les alliages de titane sont largement utilisés dans l'industrie aéronautique dans laquelle on cherche à réduire les étapes d'usinage, par exemple en utilisant de nouvelles techniques d'assemblage. LFW est un procédé de soudage à l'état solide dans lequel un composant fixe est mis en contact contre un autre composant décrivant un mouvement alternatif. Après une courte période de friction, une pression de forgeage est appliquée pour obtenir un raccourcissement axial. Ce procédé est très rapide, présente peu de défauts et est censé extruder les contaminants hors de la soudure. Les joints soudés Ti LFW pourraient être exposés à des fortes sollicitations mécaniques ce qui a été peu étudié. Le comportement mécanique des joints soudés a été étudié ici en lien avec la microstructure et les défauts potentiels sous-jacents. Des mesures de champs ont révélé la déformation locale et temporelle des zones de la soudure. Par ailleurs, des mesures de champs 3D ont aussi été utilisées pour établir une nouvelle procédure d'alignement de machines de fatigue. Le joint mono-matériau Ti6242 a montré une résistance supérieure au matériau de base. La déformation locale et la vitesse de déformation normalisée ont été abordées par stéréo-corrélation d'images et elles ont souligné une activité plastique précoce dans le voisinage du noyau de la soudure qui a été attribuée aux contraintes résiduelles. Pour la durée de vie visée de 10e5 cycles, la résistance en fatigue a légèrement été réduite mais elle a également été compromise par une forte dispersion due à un amorçage interne de fissure de fatigue en « œil de poisson », observé autour d'un défaut dendritique inattendu. Ce défaut a été associé à une fusion localisée lors du soudage, dû à la présence de laiton émanant de l'usinage par électroérosion. Des entailles ont été usinées pour des mini-éprouvettes axisymétriques et plates, centrées sur le noyau pour approfondir sa caractérisation. Des observations tomographiques ont dévoilé un mécanisme ductile pour le MB et une rupture abrupte pour le noyau. La rupture a eu lieu en partie au niveau du noyau après une déformation plastique. Aucun effet de contamination avant soudage n'a été observé. Pour approfondir l'étude de la contamination avant soudage, deux joints bi-matériaux Ti17-TA6V ont été produits. Le premier a été soudé après avoir été coupé par électroérosion et le deuxième a été poli avant soudage. Pour la configuration étudiée ici, le mécanisme autonettoyant du LFW n'a pas réussi à extruder les contaminants présents dans l'interface et a induit une rupture pseudo-fragile au niveau du noyau pendant les essais de traction, fatigue et ténacité. Le joint nettoyé avant soudage a montré une rupture ductile tantôt au niveau du MB TA6V tantôt au niveau de la zone thermomécaniquement affectée (TMAZ) côté Ti17. L'amorçage des fissures de fatigue a eu lieu avec une résistance réduite par rapport au MB. La ténacité a également été dégradée et le faciès de rupture au niveau de la TMAZ a dévoilé des clusters de cavités allongées et parallèles. Pour améliorer les propriétés de la TMAZ Ti17, un traitement thermique post soudage a été appliqué à un joint LFW mono-matériau Ti17. Le joint non-traité a montré une résistance mécanique inférieure au MB liée à la dissolution de la phase alpha dans le voisinage du noyau. En effet, la TMAZ Ti17 a été identifiée comme une zone faible puisque la rupture y a eu lieu en révélant une réduction importante de la ductilité macroscopique comparé au MB. De la même manière, l'amorçage de fissure par fatigue a eu lieu au niveau de la zone faible avec une réduction conséquente de la résistance à la fatigue. Le traitement post soudage a permis de retrouver avec succès des propriétés proches de celles du MB.

Résumé de la thèse en anglais

The mechanical properties in terms of tensile behaviour, fatigue strength and toughness of linear friction welded (LFW) joints were studied and compared to the parent materials' (PM) behaviour. Titanium (Ti) alloys are widely used in the aerospace industry in which there is a need to improve the buy-to-fly ratio, e.g. by the use of novel joining techniques. LFW is a solid state joining process that works as follows: A fixed workpiece is pushed against another following a linear oscillatory motion. After a short friction stage, a forging pressure is applied to achieve a target axial shortening. This process is quick, presents few defects and is supposed to be self-cleaning. Ti LFW joints could be exposed to heavy mechanical loads. Yet, few results are available. The mechanical behaviour of the LFW was assessed in light of the underlying microstructure, in particular potential defects. Field measurements revealed the local and temporal deformation behaviour of the different weld zones. 3D field measurements were also used to establish a new procedure to align fatigue testing machines. For the similar Ti6242 LFW joint, the weld showed a strength overmatch. This led to a reduced macroscopic ductility and fracture occurred in the PM. Local strain and normalized strain rate were assessed by stereo digital image correlation (DIC) and revealed an early plastic activity at yielding in the vicinity of the WCZ, attributed to residual stresses. For the target life of 10e5 cycles, the fatigue strength was slightly reduced but compromised by strong scatter. Indeed, an internal fish-eye fatigue crack initiation was found on an unexpected dendritic defect that was different from the martensitic microstructure in the WCZ. The dendritic defect was linked to localized melting due to the presence of prior to welding brass contaminants at the weld interface, resulting from electrical discharge machining (EDM). To investigate further the behaviour of the WCZ, notches of axisymmetric and flat micro-tensile specimens were placed in this zone. In situ synchrotron tomography showed ductile damage mechanisms for the PM and very sudden failure for the WCZ without prior damage development at the micrometre scale. Failure occurred partly along the weld interface after some plastic deformation of the weld. No effect of weld contamination prior to welding was observed. To study further the effect of surface contamination prior to welding, two dissimilar Ti17-Ti64 LFW joints were assessed. The first was welded in the EDM as machined state and the second joint was ground prior to welding. For the studied configurations, the LFW self-cleaning mechanism failed to extrude the EDM brass contaminants into the flash and led to a pseudo-brittle fracture at the WCZ during monotonic and cyclic loading and fracture toughness testing. During tensile testing of the pre-cleaned joint, failure occurred after some plastic deformation sometimes at the Ti64 PM and sometimes at the Ti17 thermo-mechanically affected zone (TMAZ). Fatigue cracks initiated at Ti17 TMAZ with a reduced fatigue strength compared to the PM. Fracture toughness was also significantly reduced and the fracture surface at the TMAZ highlighted unexpected clusters of parallel and elongated voids. To enhance the properties of the TMAZ a post weld heat treatment was applied to a similar Ti17 LFW joint. The as welded joint showed a strength undermatch due to a depletion of the alpha phase in the vicinity of the WCZ. Indeed, the Ti17 TMAZ was identified as a weak zone since failure occurred at this location during tensile testing highlighting a significant reduction in macroscopic ductility compared to the PM. Similarly, for a target fatigue life of 10e5 cycles, fatigue crack initiation occurred at the weak zone with a significant reduction in fatigue strength. The post-weld heat treatment allowed the PM microstructure and tensile and fatigue properties to be regained.

Titre anglais : Mechanical characterization of Linear Friction Welded Titanium alloys
Date de soutenance : jeudi 21 novembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris – L109
Directeur de thèse : Thilo MORGENEYER

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Simulation numérique de la localisation intra-granulaire de la déformation au sein de polycristaux irradiés

Résumé de la thèse en français

Les polycristaux irradiés sont connus pour être le siège d'une intense localisation de la déformation plastique à l'échelle du grain, causant une diminution de leur ductilité ainsi qu'une sensibilité accrue à la corrosion sous contrainte. Cette thèse met à profit les performances offertes par le développement des solveurs FFT massivement parallèles pour améliorer la modélisation de ce phénomène crucial. Nous avons mis au point des méthodes de traitement permettant l'analyse systématique de la nature des bandes de localisation, ainsi que leur caractérisation quantitative, à partir des champs issus de la simulation haute résolution de cellules polycristallines. Elles ont permis de mettre en évidence les limites fondamentales de la plasticité cristalline classique, fondement des modèles de métaux irradiés actuels, quant à la prédiction des modes de localisation intra granulaire du glissement plastique. Pour y remédier,nous avons étudié en détail les prévisions analytiques et numériques d'un modèle de plasticité à gradient, en étendant l'implémentation du solveur AMITEX_FFTP à la résolution de problèmes non locaux. Nous avons pu montrer qu'il constitue un cadre prometteur pour une modélisation physiquement fidèle des modes de localisation intra-granulaires dans les polycristaux adoucissants, donc a fortiori pour les métaux irradiés. Par ailleurs, nous avons également abordé ce problème par la modélisation explicite des bandes de glissement. Nous avons amélioré ses performances grâce au développement de modèles de voxels composites génériques, et montré que cette approche constitue une alternative efficace pour simuler les conséquences de la localisation de la déformation, comme la modification de la distribution de contraintes aux joints de grains, ou l'augmentation de l'écrouissage cinématique.

Résumé de la thèse en anglais

Irradiated polycrystals are known to exhibit an intense localization of plastic deformation at the grain scale, responsible for a severe loss of ductility and increased sensitivity to intergranular stress corrosion cracking. This thesis takes advantage of the performances offered by the recent progresses of highly parallel FFT-based solvers, to improve the modeling of this crucial phenomenon. We developed field processing methods to produce a systematic analysis of the nature and quantitative characterization of localization bands, from high resolution polycrystalline simulation results. They allowed to evidence a fundamental shortcoming of classical crystal plasticity, cornerstone of all irradiated metals models, in the prediction of intragranular localization modes. To overcome this issue, we extended the scope of our FFT solver, AMITEX_FFTP, to nonlocal mechanics. We used it to extensively study the analytical and numerical predictions of a strain gradient plasticity model, showing that it is a promising way to achieve an accurate modeling of plastic slip localization modes in softening polycrystals, and a fortiori for irradiated metals. Additionally, we explored the explicit modeling of slip bands with FFT-based solvers. We developed generic composite voxel models allowing to strongly reduce its computational cost. We show that this approach provides an efficient way to simulate the consequences of strain localization, such as the evolution of the grain boundary stress distribution or the increased kinematic hardening.

Titre anglais : Numerical Simulation of strain localization in irradiated polycristals
Date de soutenance : mercredi 20 novembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech, 60 Boulevard Saint Michel, 75272 PARIS Cedex 06 – L218
Directeurs de thèse : Samuel FOREST, Lionel GELEBART

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Mécanique des aubes et des disques de turbine

Conférence scientifique de Samuel Forest, enseignant-chercheur au Centre des matériaux MINES ParisTech, médaille d'argent du CNRS.

La glorieuse épopée de la motorisation des avions et hélicoptères en France atteint aujourd'hui des sommets. La compagnie Safran, issue de Snecma, développe et vend des moteurs à succès qui sont des concentrés de haute technologie mettant à contribution toutes les sciences de l'ingénieur.

La conférence mettra en valeur ces véritables bijoux que sont les aubes de la turbine haute pression. Des bijoux, car ce sont des monocristaux métalliques, présentant un ordre atomique aussi rigoureux que celui des magnifiques cristaux minéraux que l'on peut admirer au Musée de minéralogie de l'École des Mines de Paris.

Le développement de ces pièces est le résultat de 40 ans de recherche concertée entre partenaires académiques et industriels avec un fort soutien de l'État.

On discutera les sollicitations mécaniques que subissent ces pièces critiques et on essaiera de prévoir leur durée de vie pour les remplacer avant l'accident !

Cette conférence s'inscrit dans le cadre du partenariat de l'École avec le théâtre municipal de Fontainebleau.

Lieu : MINES ParisTech – 35, rue Saint-Honoré – Fontainebleau (14h)

Contact : Isabelle Olzenski

EDITION 2020

L’Université PSL participe à l’édition 2020 du concours, et cette année encore, 2 lauréats (le 1er prix du jury et le prix du public) seront sélectionnés lors de la finale PSL pour représenter les couleurs de notre belle université à la demi-finale nationale!

• 6 décembre 2019: date limite de candidature (ATTENTION : tout dossier hors délai ou incomplet ne sera pas retenu)
• Fin janvier et début février 2020: formation des candidats retenus pour la finale PSL
• 6 mars 2020: finale de l’Université PSL
• Du 2 au 4 avril 2020 : demi-finale nationale sur 3 jours (frais pris en charge)
• Juin 2020: finale nationale (frais pris en charge)
• Automne 2020: finale internationale à Paris (frais pris en charge)

Pour prendre part au concours, vous devez satisfaire aux conditions d’admissibilité suivantes :

• Être inscrit dans un programme de doctorat de PSL pour l’année universitaire en cours (2019-2020), ou avoir obtenu votre doctorat pendant l’année universitaire précédant la finale internationale (2018-2019) ;
• Avoir informé de votre participation au concours votre directeur de thèse et / ou financeurs et votre directeur d’unité ;
• Présenter un état d’avancement suffisant de votre projet de recherche doctoral ;
• Vous exprimer en français ;
• Pour la finale nationale : représenter l’Université PSL ;
• Pour la finale internationale : représenter la France.

Les doctorants souhaitant participer au concours doivent déposer sa candidature par mail à l’adresse mt180s@psl.eu, avant le 6 décembre 2019 :

Dossier de candidature

Pour plus information

Mécanismes de fatigue dominés par les fibres dans les composites stratifiés d'unidirectionnels

Résumé de la thèse en français

Dans un composite stratifié, les plis orientés à 0° par rapport à la direction du chargement pilotent souvent la rupture sous chargement de traction. Les fibres procurent l'essentiel de la rigidité et la résistance de ces plis. Dans ces travaux de thèse, le comportement en fatigue des plis à 0° est analysé dans des stratifiés unidirectionnels (UD) et multidirectionnels, au moyen d'essais de fatigue multi-instrumentés. Un protocole expérimental est mis en place pour éviter les ruptures prématurées typiques des essais sur UD. L'évolution en fatigue des ruptures de fibres est identifiée par leur émission acoustique. Les mécanismes de fatigue dominés par la rupture des fibres sont analysés par un modèle aux éléments finis développé à l'échelle des constituants.

Résumé de la thèse en anglais

Under quasi-static and fatigue tension loads, the failure of a carbon fibre reinforced polymer laminate (CFRP) is usually driven by 0° plies. Carbon fibres give most of the stiffness and strength of these plies. In this work, the fatigue behaviour of 0° plies inside unidirectional (UD) and multidirectional laminates is analysed via multi-instrumented tension-tension fatigue tests. A numerical and experimental study is addressed to perform fatigue tests without the typical premature failures of the UD laminates. The acoustic emissions technique is used to identify the evolution law of fibre breaks. A finite element model is developed at the microscale (fibres and matrix) to analyse the fibre-driven fatigue mechanisms.

Titre anglais : Fibre-dominated fatigue failure in CFRP composite laminates
Date de soutenance : vendredi 4 octobre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : ONERA The French Aerospace Lab – Centre de Châtillon 29, avenue de la Division Leclerc 92320 CHATILLON – Salle Contensou
Directeurs de thèse : Alain THIONNET, Myriam KAMINSKI

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Le département Mécanique et Matériaux de MINES ParisTech une nouvelle fois à l'honneur, avec la remise des prix de la Société française d'énergie nucléaire (SFEN) et de l'Association française de mécanique (AFM), en juin et août 2019.

• Tom Petit, docteur MINES ParisTech, est lauréat du Prix Jean Bourgeois de la SFEN, pour sa thèse « Compréhension et modélisation d’essais de ténacité avec pop-in : application à l’aluminium 6061-T6 et influence de l’irradiation neutronique », effectuée au Centre des Matériaux MINES ParisTech, sous la direction de Thilo Morgeneyer, Jacques Besson et Claire Ritter (CEA).
  • Tom Petit a également obtenu le 3^e  International  ZwickRoell Science Award 2018, pour son article portant sur les propagations instables de fissures, dont l'origine a été démontrée par utilisation d'un montage conçu à cet effet.
    La cérémonie de remise de prix s'est déroulée le 14 juin 2019 à l’Université Tongji (Shanghai, Chine).

> Pour en savoir plus

• Mehdi Khalloufi, docteur MINES ParisTech, s'est vu décerner le Prix Paul Germain de l'AFM. Ce prix récompense son travail de thèse sur les « écoulements multiphasiques avec changement de phase et ébullition dans les procédés de trempe », réalisé au Cemef MINES ParisTech, sous la supervision d'Elie Hachem, Rudy Valette et Elisabeth Massoni.

> Pour en savoir plus

Journée organisée par le département Mécanique et Matériaux de MINES ParisTech

Les chercheurs MINES ParisTech détiennent une expertise pointue en simulation numérique. Ils font de leurs outils des références dans leurs domaines (matériaux, procédés, énergétique, exploitation minière…), utilisés par les industriels dans le cadre d’actions de recherche partenariale. Pour présenter leurs travaux et proposer une vision transversale et pluridisciplinaire de la « data science » et de ses enjeux pour les entreprises, MINES ParisTech créée le Data Science Day.

Pas moins de 17 chercheurs des 5 Départements de recherche de MINES ParisTech présentent leur travaux, pendant 15 mn.

4 conférences plénières données par des personnalités extérieures complétent le programme.

Les thèmes de nos quatre invités sont les suivants :

• Pr. Charbel Farhat (Stanford): A Physics-Based Alternative Approach to Digital Twins
• Pr. Francisco Chinesta (Ensam): Data-Driven Empowered Physics-Based Models
• Pr. Jean-Philippe Vert (Google AI):   Learning from ranks and learning to rank
• Dir. Rech. Marc Schoenauer (INRIA): Algorithmes en sciences des données: validation, certification, transparence, et impacts sur la société

> Télécharger le programme

Cet événement a vocation à être organisé chaque année, tour à tour, par chacun des départements de recherche MINES ParisTech.

Manon Isard, doctorante au Cemef MINES ParisTech, a reçu le prix Ken Ludema Best Paper à la WoM conférence, 22nd International Conference on Wear, pour son article «Third-body formation by selective transfer in a NiCr / AgPd electrical contact. Consequences on wear and remediation by a barrel tumble finishing».

La WoM conférence accueille tous les deux ans la communauté scientifique internationale en tribologie. Elle a accueilli 350 participants du 14 au 18 avril 2019 à Miami.

> Pour en savoir plus

Qi Huang, doctorante au Centre des matériaux MINES ParisTech, est l’une des trois personnes lauréates d'une bourse pour participer aux Journées annuelles du groupe de travail international sur la fissuration assistée par l’environnement (ICG-EAC) qui se sont tenues à Tainan (Taïwan) du 12 au 17 mai 2019.

Qi y a présenté une partie de ses travaux de thèse lors d’une communication orale intitulée : « Stress corrosion cracking initiation of cold-worked austenitic stainless steels: Influence of the combination of microstructure and mechanical fields at the polycrystal scale ».

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Qi Huang, doctorante au MAT et au LSPM

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Qi Huang, doctorante au Centre des Matériaux de MINES ParisTech et au LSPM de l’université Paris 13 sous la co-direction de C. Duhamel et de Y. Charles est l’une des trois lauréats ayant obtenu une bourse afin de participer aux journées annuelles du groupe de travail international sur la fissuration assistée par l’environnement (ICG-EAC) qui se sont tenues à Tainan (Taïwan) du 12 au 17 mai 2019.

Qi y a présenté une partie de ses travaux de thèse lors d’une communication orale intitulée : « Stress corrosion cracking initiation of cold-worked austenitic stainless steels: Influence of the combination of microstructure and mechanical fields at the polycrystal scale ».