Thèse Analyse de l'Émoussement de Fissure Vers la Corrélation d'Images Intégrée H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École polytechnique École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris Laboratoire de recherche : ONERA Direction de la thèse : Sylvia FELD-PAYET ORCID 0000000280049845 Début de la thèse : 2026-11-16 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Pour assurer la sécurité des vols, il est important de garantir que les composants aéronautiques critiques ne subiront pas de fissuration délétère vis-à-vis de leur fonctionnement. Il est donc nécessaire de pouvoir prévoir la rupture de pièces grâce à des modèles adaptés.
Les modèles de fissuration par fatigue les plus utilisés industriellement sont exprimés sous la forme d'une vitesse de fissuration par cycle. Ils postulent une dépendance de l'état mécanique à la longueur de fissure et à l'état de chargement au loin. Ils peuvent être satisfaisants pour des chargements relativement simples, lorsque les phénomènes plastiques restent confinés près de la pointe de fissure. Cependant, ils ne permettent pas de prendre en compte facilement l'effet de la plasticité sur la propagation pour des chargements à amplitude variable, lorsque la plasticité va non seulement influencer la vitesse de propagation de la fissure mais aussi son émoussement. Pour traiter ce type de problème, un modèle de fissuration de type incrémental a été proposé. Il propose de caractériser la fissure par sa longueur mais aussi par l'émoussement plastique. L'établissement des modèles et leur validation passe ensuite par des essais de fissuration avec des chargements représentatifs de ceux en service, pour observer l'évolution de la longueur de fissure et calculer l'émoussement.
Cependant, ce type de mesure reste difficile. Du point de vue analytique, il existe des méthodes permettant d'utiliser les champs de déplacement obtenus par corrélation d'images pour estimer une position de pointe de fissure. Ces méthodes utilisent des projections sur des champs analytiques qui supposent que la plasticité reste confinée. Si ce n'est pas le cas, la position estimée n'est pas la bonne. Or il faut connaître la position réelle de la pointe de fissure pour mesurer l'émoussement. Du point de vue expérimental, la principale difficulté est le niveau de précision en microscopie optique car il faudrait pouvoir détecter une variation de l'émoussement plastique de l'ordre du dixième de micron.
Cette thèse a pour objectif de proposer une méthodologie pour mesurer la longueur de fissure et son émoussement pour des chargements complexes, et ce de manière automatique au cours de la propagation. Pour ce faire, des essais seront réalisés sur des éprouvettes en superalliage base nickel afin d'observer et de mesurer l'évolution de l'émoussement plastique à haute température, notamment dans des conditions où le fluage s'active en pointe de fissure. Ils pourront être complétés par des essais micromécaniques interrompus, avec des observations au Microscope Electronique à Balayage, pour avoir une meilleure compréhension des phénomènes impliqués à une échelle plus fine et des champs locaux en pointe de fissure. Un effort significatif sera mené sur la réalisation de mouchetis opérationnel aux 2 échelles et en température.
Une fois les données d'essais disponibles, leur analyse commencera par le calcul des champs de déplacement. En l'absence de consensus sur la manière d'obtenir ces déplacements, un benchmark de plusieurs méthodes sera effectué. Les données obtenues permettront de proposer une nouvelle base de champs analytiques comprenant les champs analytiques classiques ainsi que des solutions issues de la théorie élastique des dislocations. Cette corrélation d'images intégrée devrait permettre de remonter plus directement à l'émoussement plastique.
Il pourra également être intéressant de prendre en compte l'influence de phénomènes visqueux, notamment à haute température. Plusieurs indices suggèrent qu'un comportement matériau élasto-viscoplastique au voisinage de la pointe de fissure pourrait être responsable de certains régimes de propagation tels que le temps de maintien et l'effet de rampe. Dans l'éventualité où cette hypothèse serait confirmée, l'extension du modèle incrémental afin de prendre en compte les effets du temps de maintien et de l'effet de rampe pourra être envisagée.
Il n'existe pas de méthode pour mesurer l'émoussement en s'appuyant sur des mesures locales :
Bien que le modèle incrémental [1] de S. Pommier et R. Hamam fasse apparaître de l'émoussement, il est identifié sur des courbes da/dN vs delta K.
Les bases de décomposition des champs cinématiques dans la littérature [2] sont limitées au cas élastique et ne permettent pas d'identifier l'émoussement par projection.
Cependant, des éléments de solution existent et peuvent servir de point de départ :
Des développements sont actuellement en cours pour permettre de transférer des éprouvettes de la machine de fatigue 4T à la platine d'essais micromécanique. Il devrait ainsi être possible d'effectuer des essais de fatigue interrompus pour observation sous MEB de la zone au voisinage de la pointe de fissure.
L'Onera a développé des stratégies empiriques indépendantes du comportement pour suivre tout type de fissure [3]. Ces stratégies s'appuient sur l'analyse de champs de déplacements obtenus par un algorithme de corrélation d'images avec régularisation de type variation totale [4] qui était habituellement plus utilisé en vision par ordinateur qu'en mécanique. Elles permettent d'obtenir des chemins de fissure pour différents types de chargement qui peuvent servir de point de départ pour l'estimation de l'émoussement.
SAE a commencé à proposer une extension des bases de décomposition des champs cinématiques pour permettre d'identifier l'émoussement par projection [5]. Deux stages à SAE ont permis de mettre en place des outils numériques pour la décomposition des champs cinématiques à partir de simulations numériques [6,7]. Le code pour l'extraction des données est fait via Ansys.
Obtenir des données mesurées plus riches et très précises (de l'ordre du micron ou du 1/10e de micron), à basse et à haute température, pour pouvoir nourrir de nouveaux modèles.
1- Mesurer l'émoussement et toute autre quantité locale pertinente (par exemple la zone plastique) en l'absence d'effet visqueux
2- Mesurer l'émoussement et toute autre quantité locale pertinente (par exemple la zone plastique) en présence d'effets visqueux
3- Vérifier, grâce à ces mesures, la base de décomposition des champs cinématiques qui comprend l'émoussement proposée par SAE
4- Comparer mesures et estimations analytiques i. Développement d'une méthode de mesure fine par corrélation d'images à deux échelles (optique pour les champs lointains et MEB pour mesure de l'émoussement), permettant de faire des mesures de l'émoussement plastique en pointe de fissure. Ces travaux pourront s'appuyer sur les méthodes de détection Onera pour le suivi de fissures.
ii. Réaliser des essais permettant d'observer et de mesurer l'évolution de l'émoussement plastique à haute température, notamment dans des conditions où le fluage s'active en pointe de fissure. Ces travaux pourront s'appuyer sur les développements Onera pour réaliser des essais multi-interrompus avec observation au MEB (mouchetis céramique à prévoir).
iii. Proposer des concepts permettant d'expliquer et de modéliser les effets du temps de maintien et de l'effet de rampe sur la propagation à partir de l'analyse des résultats d'essai.

Ingénieur ou Equivalent Master 2 (recherche) avec une spécialisation en mécanique
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