Thèse Fusmat Fatigue par Ultrasons de Matériaux Traités par Smat Surface Mechanical Attrition Treatment H/F - 10

Établissement : Université de technologie de Troyes
École doctorale : Sciences Pour l'Ingénieur
Laboratoire de recherche : Laboratoire des Systèmes Mécaniques et d'Ingénierie Simultanée
Direction de la thèse : Zhidan SUN ORCID 0000000297562442
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-19T23:59:59

Le Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT) est une technique de traitement mécanique de surface permettant d'améliorer les propriétés mécaniques des matériaux métalliques en induisant une couche superficielle nanocristalline, un fort écrouissage ainsi que des contraintes résiduelles de compression. Ces modifications sont connues pour améliorer la résistance en fatigue, notamment en régime de fatigue à grand nombre de cycles. Toutefois, leurs effets en fatigue gigacyclique (VHCF), en particulier sous sollicitations ultrasonores, restent encore insuffisamment compris.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement en fatigue gigacyclique ultrasonore de matériaux traités par SMAT, en mettant l'accent sur les mécanismes d'endommagement et leur lien avec les gradients microstructuraux et les distributions de contraintes résiduelles. Dans un premier temps, il s'agira de quantifier l'amélioration de la résistance et de la durée de vie en fatigue induite par le traitement SMAT sous chargement ultrasonore, en analysant notamment les transitions des sites d'amorçage de fissures de la surface vers le volume.

Un second objectif consiste à identifier et analyser les mécanismes d'amorçage et de propagation précoce des fissures en relation avec la microstructure nanocristalline, l'écrouissage et les contraintes résiduelles induites par le SMAT. Des techniques expérimentales avancées, telles que les essais de fatigue ultrasonore, la microscopie électronique et la mesure des contraintes résiduelles, seront mobilisées afin de caractériser le comportement du matériau à différentes échelles.

Par ailleurs, l'évolution de la zone affectée par le SMAT au cours du chargement cyclique sera étudiée, avec une attention particulière portée à la relaxation et à la redistribution des contraintes résiduelles et à leur influence sur la durée de vie en fatigue. Cet aspect est essentiel pour comprendre la stabilité à long terme des traitements de surface en conditions de service.

Enfin, une approche de modélisation sera développée afin de prendre en compte les gradients de contraintes résiduelles et les hétérogénéités microstructurales induites par le SMAT. Des simulations par éléments finis, éventuellement couplées à des modèles de plasticité cristalline, permettront de prédire la durée de vie en fatigue et de confronter les résultats aux observations expérimentales.

Ce projet contribuera à une meilleure compréhension des mécanismes de fatigue des matériaux traités en conditions extrêmes et présente des retombées importantes pour la conception et la durabilité des composants dans des secteurs industriels critiques tels que l'aéronautique, l'énergie et les transports.

Dans de nombreux secteurs tels que l'aéronautique, l'automobile ou l'énergie, les composants mécaniques doivent résister à un nombre très élevé de cycles de sollicitation, pouvant atteindre 10 à 10 cycles [1-3]. La défaillance prématurée de tels éléments peut avoir des conséquences dramatiques sur la sécurité et la fiabilité des systèmes [4,5]. Il est donc crucial de mieux comprendre et maîtriser le comportement en fatigue gigacyclique des matériaux utilisés, afin de garantir des performances durables et sûres des composants industriels.

Le Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT) est une technique de traitement mécanique de surface prometteuse, qui génère simultanément une couche nanocristalline en surface et des contraintes résiduelles de compression élevées. Ces modifications peuvent améliorer significativement la résistance à la fatigue. Toutefois, malgré l'intérêt croissant pour le SMAT, les mécanismes précis d'initiation de fissures ainsi que l'évolution des contraintes résiduelles dans le domaine gigacyclique restent encore mal compris, bien que quelques études aient abordé ces aspects [6,7]. L'originalité de ce projet réside donc dans l'étude détaillée de l'impact du SMAT sur le comportement en fatigue à très grand nombre de cycles, en intégrant à la fois l'approche expérimentale et la modélisation.

Le projet adopte une approche expérimentale intégrée. Les essais de fatigue seront réalisés sur une machine ultrasonique de laboratoire fonctionnant à 20 kHz, permettant d'atteindre un nombre très élevé de cycles, typique du domaine gigacyclique. Les éprouvettes SMATées et non traitées seront comparées afin d'établir les courbes S-N, d'analyser les surfaces de rupture et de quantifier l'amélioration de la durée de vie. Des essais interrompus seront également réalisés pour suivre l'évolution de la relaxation des contraintes résiduelles et la microstructure locale, grâce à des observations EBSD et, le cas échéant, MET afin d'analyser la densité de dislocations et l'évolution des précipités sous cyclage de faible amplitude. L'auto-échauffement des éprouvettes sera mesuré par thermographie infrarouge et la température contrôlée pour garantir la représentativité des conditions expérimentales [9,10]. Ces mesures permettront également d'estimer la dissipation plastique locale et d'alimenter les modèles numériques.

La microstructure sera caractérisée finement par diffraction des rayons X (DRX) et diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), afin de relier les performances mécaniques aux modifications structurales induites par le SMAT. L'étude portera également sur les mécanismes locaux de déformation plastique à très faible amplitude de contrainte, caractéristiques de la fatigue gigacyclique.

Parallèlement, une modélisation adaptée d'une structure avec un état résiduel à gradient, développée dans le cadre d'une thèse précédente [8], sera mise en oeuvre pour prédire la durée de vie des matériaux traités par SMAT. Ce modèle intégrera à la fois le gradient de contraintes résiduelles et les hétérogénéités microstructurales induites par le traitement de surface, permettant de confronter les prédictions aux observations expérimentales et d'améliorer la compréhension des mécanismes en jeu.

Ainsi, cette thèse vise à :

- Quantifier l'amélioration de la résistance et de la durée de vie en fatigue gigacyclique des matériaux traités par SMAT.
- Identifier les mécanismes d'initiation de fissures et leur lien avec la microstructure nanocristalline et les contraintes résiduelles.
- Suivre l'évolution de la zone traitée par SMAT au cours de la fatigue et comprendre la relaxation des contraintes résiduelles.
- Adapter et valider un modèle intégrant les gradients de contraintes résiduelles et les hétérogénéités microstructurales pour prédire la durée de vie en fatigue.

Ce projet repose donc sur des caractérisations mécaniques et microstructurales avancées, couplées à une modélisation numérique, et présente un impact direct sur la sécurité, la durabilité et la conception responsable des composants industriels, tout en consolidant l'expertise scientifique du LASMIS dans le domaine des traitements de surface et de la fatigue des matériaux.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement en fatigue gigacyclique ultrasonore de matériaux traités par SMAT, en lien avec les modifications microstructurales et les contraintes résiduelles induites. Il s'agira de quantifier l'amélioration des performances en fatigue, d'identifier les mécanismes d'amorçage et de propagation des fissures, et d'analyser l'évolution de la zone traitée sous chargement cyclique. Enfin, un modèle prédictif intégrant les gradients de contraintes résiduelles et les hétérogénéités microstructurales sera développé afin d'estimer la durée de vie en fatigue.

Le projet de thèse adopte une approche intégrée combinant expérimentation et modélisation numérique pour étudier la fatigue gigacyclique des matériaux traités par SMAT. Les matériaux étudiés, un alliage d'aluminium et un acier inoxydable, seront caractérisés avant et après traitement : profils de contraintes résiduelles par DRX, écrouissage, observation microstructurale par EBSD et caractérisation de la surface (rugosité, intégrité).

Des essais de fatigue ultrasonores à 20 kHz permettront d'atteindre un très grand nombre de cycles et d'établir les courbes S-N. Des essais interrompus seront réalisés pour suivre la relaxation des contraintes résiduelles et l'évolution microstructurale, avec observations EBSD et MET. L'auto-échauffement sera mesuré par thermographie infrarouge afin de contrôler la température et de quantifier la dissipation plastique locale.

Le comportement mécanique sera modélisé par une structure à gradient de microstructure et de propriétés, intégrant une loi élasto-plastique avec écrouissage cinématique. Les paramètres seront identifiés à partir des données expérimentales, et la simulation reproduira différentes conditions de fatigue gigacyclique.

Cette méthodologie intégrée permettra de relier les modifications microstructurales et les contraintes résiduelles aux performances en fatigue, et de développer un modèle prédictif fiable pour la durée de vie des composants traités par SMAT, avec des retombées directes pour la conception et la durabilité industrielle.