Une méthode de calcul de la durée de vie à l'amorçage de fissure de fatigue dans un joint soudé en acier S355NL

A fatigue crack initiation life calculation method for a S355NL steel welded joint

Laboratoire de Mécanique des Structures Navales, ENSIETA, 2 rue F. Verny, 29200 Brest, France

Auteur de correspondance : lautroni@ensieta.fr

Reçu : 15 Mars 2007
Accepté : 7 Juin 2007

Résumé

Ce travail porte sur l'étude du comportement en fatigue d'assemblages soudés en acier S355NL, représentatifs d'éléments de structures navales. L'objectif est de développer une méthodologie pour estimer la durée de vie à l'amorçage d'une fissure de fatigue pour ce type de structures. Notre approche se décompose en deux étapes. Premièrement, un calcul de structure par éléments-finis permet d'obtenir les cycles contrainte-déformation stabilisés en tout point de l'assemblage soudé pour un chargement d'amplitude constante ou variable. Ce calcul prend en compte le comportement élastoplastique du métal de base, une variation de la limite d'élasticité dans les différentes zones de la soudure basée sur des mesures de dureté, la géométrie locale du pied de cordon mesurée sur des photos de profil des éprouvettes, et éventuellement la présence de contraintes résiduelles. Deuxièmement, dans le cas où une adaptation élastique rapide se produit, un post-traitement permet de calculer la durée de vie à l'amorçage d'une fissure de fatigue, par l'utilisation d'un modèle d'endommagement à deux échelles basé sur les travaux de Lemaitre et al. Les paramètres matériaux de ce modèle ont été identifiés à partir de courbes d'endurance établies pour le métal de base. Pour valider l'approche proposée, des essais de fatigue en flexion quatre points ont été réalisés pour deux rapports de charge (0,1 et 0,3), sur des éprouvettes soudées réalisées par DCN. Pour compléter l'analyse, des mesures de contraintes résiduelles présentes dans les éprouvettes soudées ont été réalisées par diffraction de rayons X. Les comparaisons entre les durées de vie expérimentales et les durées de vie calculées sont encourageantes pour la campagne d'essais réalisée. L'exploitation de la méthode proposée est à l'étude pour un autre mode opératoire de soudage.

Abstract

This work deals with the fatigue behavior of S355NL steel welded joints of naval structures. The approach suggested here, in order to estimate the fatigue crack initiation life, can be split into two stages. Firstly, stabilized stress-strain cycles are obtained in any point of the welded joint by a finite element analysis, taking constant or variable amplitude loadings into account. This calculation takes account of: base metal elastic-plastic behavior, variable yield stress based on hardness measurements in the various zones of the weld, local geometry at the weld toe measured from specimen photographs, and residual stresses if any. Secondly, if a fast elastic shakedown occurs, a two-scale damage model based on Lemaitre et al.'s work is used as a postprocessing in order to estimate the fatigue crack intiation life. Material parameters for this model were identified from two S-N curves established for base metal. As a validation, four point bending fatigue tests were carried out on welded specimens provided by DCN. Two load ratios were considered: 0.1 and 0.3. Residual stress measurements by X-ray diffraction completed this analysis. Comparisons between experimental and calculated fatigue lifes are promising for the considered loadings. An exploitation of this method is planned for another welding process.