Identification of heat source fields from infra-red thermography: Determination of ‘self-heating' in a dual-phase steel by using a dog bone sample

WOSInternational audienceFrom infra-red thermography, a quantitative analysis of heat dissipation sources is proposed via the thermomechanical modeling of a fatigue test on a specimen with a varying cross-section. A new procedure is introduced to achieve this goal, and its application to an experimental case of self-heating at a single load level is shown to provide complete identification of a probabilistic model of micro-plasticity

Utilisation de l'imagerie IR pour l'étude de la fatigue des aciers : Premières observations d'effets de surface

International audienceDe nouvelles méthodes de caractérisation de la tenue à la fatigue des matériaux métalliques par mesure thermique sont développées depuis plusieurs années. Elles donnent accès en quelques dizaines de minutes à une estimation de la limite d'endurance et de la dispersion des résultats de fatigue d'un matériau, là où plusieurs jours sont nécessaires traditionnellement. Un des axes de développement de ces méthodes consiste à caractériser à l'aide de ces techniques les effets de surface sur les propriétés à la fatigue. Pour capter l'information due à l'hétérogénéité locale provoquée par le traitement de surface, il est nécessaire de passer d'une vision moyenne à des mesures de champ. Deux points clefs peuvent être considérés pour ce passage. Le premier concerne la mesure et est traité dans cet article. Le second concerne l'identification du champ de sources locales à partir du champ de température mesurée et n'est pas traité ici. Un protocole expérimental de mesure du champ de température d'une tôle mince avec une précision suffisante (incertitude de l'ordre du milliKelvin) est présenté pour discerner des hétérogénéités de propriété à la fatigue (p. ex. surface vs. cœur). L'article expose les différentes sources d'artefacts rencontrés et les techniques utilisées pour les supprimer

Dissipation measurements in steel sheets under cyclic loading by use of infrared microthermography

WOSInternational audienceHeterogeneous dissipation in steel sheets due to cyclic loading is difficult to measure, especially in the transverse direction because of the high conductivity and low thickness of the sheets. The goal of this article is thus to develop an experimental protocol allowing for the dissipation field determination from infra-red thermography. The protocol is based on a specific differential measurement and an asynchronous acquisition. It reduces measurement artefacts due to coating, rigid body motion, convection, and optical deleterious effects. It is eventually applied to different specimens

Probabilistic multiscale models and measurements of self-heating under multiaxial high cycle fatigue

WOSInternational audienceDifferent approaches have been proposed to link high cycle fatigue properties to thermal measurements under cyclic loadings, usually referred to as “self-heating tests.” This paper focuses on two models whose parameters are tuned by resorting to self-heating tests and then used to predict high cycle fatigue properties. The first model is based upon a yield surface approach to account for stress multiaxiality at a microscopic scale, whereas the second one relies on a probabilistic modelling of microplasticity at the scale of slip-planes. Both model identifications are cost effective, relying mainly on quickly-obtained temperature data in self-heating tests. They both describe the influence of the stress heterogeneity, the volume effect and the hydrostatic stress on fatigue limits. The thermal effects and mean fatigue limit predictions are in good agreement with experimental results for in and out-of phase tension-torsion loadings. In the case of fatigue under non-proportional loading paths, the mean fatigue limit prediction error of the critical shear stress approach is three times less than with the yield surface approach

Dialogue essais-modèle pour l'interprétation des liens entre mesure d'auto-échauffement sous chargement cyclique et fatigue polycyclique

WOSInternational audienceUne démarche de développement d'un modèle probabiliste à deux échelles pour la fatigue HCF des aciers est proposée. Elle est basée sur l'utilisation de mesure d'autoéchauffement sous chargements cycliques et est validée sur la base de la prévision des courbes de Wöhler d'un acier dual-phase pour différents rapport de charge

Fast Evaluation of the Fatigue Lifetime of Elastomers Based on a Heat Build-up Protocol and Micro-tomography Measurements

WOSInternational audienceThe temperature of rubber-like materials increases under cyclic loadings, due to their dissipative behaviour and low thermal conductivity. This well-known phenomenon, called heat build-up, has attracted the attention of researchers for a long time. But, to our knowledge, no published studies have tried to link this temperature rise to fatigue behaviour, as already done for many metallic materials. Two main points are discussed in this paper. The first one is dedicated to heat build-up measurements: a specific experimental protocol was developed to capture the instantaneous heat build-up and, based on this protocol, a "heat build-up test" was defined in order to link the temperature rise to the principal maximum strain, which is a commonly used variable for fatigue criterion. A discussion on the correlation between these results and the fatigue behaviour is opened. This relation is illustrated for several industrial materials by a comparison between heat build-up measurements and fatigue life duration. The second point investigates the ability to couple X-ray tomography measurements presented elsewhere [1] to the former heat build-up results in order to predict the initiation lifetime. An approach based on a critical energy criterion was proposed and the comparison to a classic Wöhler curve approach gave very good results

Apport des mesures de champs de température pour l'identification de propriétés en fatigue polycyclique

L'utilisation de mesure de champs pour l'identification de paramètres matériaux est une voie prometteuse. En effet, la réalisation, certes délicate, de tests mécaniques dans des conditions non homogènes (i.e., où les contraintes, et/ou la température ne sont pas uniformes dans la ZOI) conjugués à l'utilisation de mesure de champs donne accès à une base de données souvent très riche. Cela est particulièrement le cas lorsque l'hétérogénéité est « bien maîtrisée ». On propose, ici, une stratégie d'identification de propriétés à la fatigue polycyclique à partir de mesure de champs de température

Apport des mesures de l'auto-échauffement sous sollicitations cycliques pour la détermination des propriétés en fatigue polycyclique d'un matériau très inclusionnaire

Des essais d'auto-échauffement sous chargement cyclique sur des éprouvettes en fer puddlé ont été mis en uvre afin de déterminer les propriétés en fatigue du matériau. Celui-ci étant hétérogène et fortement inclusionnaire, la notion de VER se pose. Nous montrons qu'il est possible de construire une bonne répartition des inclusions au sein du matériau à partir des mesures d'auto-échauffement sur des éprouvettes de faible volume. Le modèle de répartition est validé sur des éprouvettes plus volumineuses

Identification of the scatter in high cycle fatigue from temperature measurements

International audienceIt is proposed to determine the scatter in a Wöhler diagram by analyzing temperature changes induced by microplasticity. A unified framework is introduced to study both phenomena. The identification procedure is applied to a dual-phase steel

Description des effets de volume et d'hétérogénéité de contrainte sur les propriétés en fatigue à l'aide du modèle de Weibull : application à des éprouvettes entaillées de TA6V

Les aubes de turboréacteurs aéronautiques sont des pièces à la géométrie complexe, pouvant comporter des concentrations de contraintes importantes. De forts gradients de contrainte peuvent donc apparaître au sein des pièces lors de sollicitations particulières. Cependant la caractérisation en fatigue à grand nombre de cycles des matériaux, et notamment du TA6V, se fait sur éprouvettes avec une sollicitation homogène en contrainte. Ainsi le passage à partir des résultats en fatigue sur éprouvettes caractérisant le matériau, vers les géométries complexes des pièces, reste délicat. Les difficultés résident dans les effets de volumes, d'hétérogénéités de contrainte, mais également dans la prise en compte de la dispersion résultant du caractère probabiliste de la fatigue à grand nombre de cycles. De plus la caractérisation en fatigue s'avère coûteuse en éprouvettes et en temps. La détermination des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles à partir d'essais d'auto-échauffement se révèle très efficace pour réduire les coûts et le temps de caractérisation en fatigue, permettant ainsi de déterminer de façon rapide l'influence de différents paramètres sur la limite d'endurance du matériau ou de la structure. [1] Munier a proposé une modélisation probabiliste à deux échelles des mesures d'auto-échauffement qui permet également de décrire le comportement en fatigue à l'aide du modèle de Weibull [2]. Ainsi à l'aide d'essais d'auto-échauffements, il est possible d'identifier rapidement le module de Weibull , paramètre qui rend compte de la dispersion des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles. Munier a validé le lien entre la dispersion observée en fatigue et le paramètre , identifié à partir d'essais d'auto-échauffement, pour de nombreux matériaux. [3] Une première étape est donc d'appliquer la méthode d'auto-échauffement sur le TA6V, pour déterminer le module , et ainsi de réaliser une comparaison avec la dispersion obtenue avec des essais de fatigue. Le modèle de Weibull sera ensuite appliqué sur des géométries d'éprouvettes entaillées, et confronté avec des résultats d'essais de fatigue. Le choix d'éprouvettes entaillées a été réalisé afin d'étudier et de rendre compte des différents effets de volume et d'hétérogénéité de contrainte. Les différentes éprouvettes permettent de vérifier la cohérence et l'applicabilité du modèle de Weibull pour la détermination des propriétés en fatigue, limite d'endurance et dispersion.  Dans un premier temps, le modèle de Weibull est présenté, et notamment sa prise en compte naturelle des effets de volume et d'hétérogénéité de contrainte. Ensuite, une modélisation des courbes d'auto-échauffement est présentée. En effet les paramètres du modèle de Weibull apparaissent dans cette modélisation, et vont donc être estimés à partir d'essais d'auto-échauffement réalisés sur des éprouvettes cylindriques de TA6V. Pour finir, le modèle de Weibull va être mis en ?uvre sur des géométries d'éprouvettes entaillées, et il sera confronté à une campagne d'essais de fatigue réalisée sur trois géométries d'éprouvettes axisymétriques entaillées et sur la géométrie cylindrique de référence. Les résultats obtenus, notamment sur la dispersion en fatigue, seront comparés. [1] Doudard, C. (2004). Détermination rapide des propriétés en fatigue à grand nombres de cycles à partir d'essais d'auto-échauffement. Thèse de doctorat, ENS Cachan.  [2] 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. Thèse de doctorat, Université de Bretagne Occidentale - Brest. [3] Munier, R. et al. (2014). Determination of high cycle fatigue properties of a wide range of steel sheet grades from self-heating measurements. International Journal of Fatigue, 63, 46-61