Doctorant en Modélisation de la Fatigue de l'Acier 316L-LPBF H/F

Établissement : Université de Savoie Mont-Blanc École doctorale : Sciences Ingénierie Environnement Laboratoire de recherche : Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique Direction de la thèse : Franck TOUSSAINT Début de la thèse : 2026-10-01 La fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre (LPBF) permet de produire des pièces de géométrie complexe en acier inoxydable 316L mais confère au matériau des propriétés mécaniques fortement anisotropes, en particulier sous sollicitations cycliques. Cette thèse s'inscrit dans la continuité de travaux expérimentaux et numériques menés au laboratoire SYMME sur la fatigue du 316L-LPBF. Elle vise à développer deux approches de modélisation physiques et complémentaires du comportement élasto-visco-plastique cyclique de ce matériau : (i) une approche compartimentée, fondée sur une description stochastique des propriétés granulaires identifiées par Dynamique des Dislocations Discrètes (DDD), intégrée dans un code Eléments Finis interne ; (ii) une approche thermodynamique basée sur le formalisme DNLR (Distribution of Non-Linear Relaxation), qui décrit le comportement du matériau sans seuil d'élasticité strict, par un spectre de temps de relaxation non-linéaires. Ces deux approches seront calibrées et validées par confrontation avec une campagne expérimentale dédiée, incluant des essais de traction monotone, de fatigue, de relaxation et de recouvrance réalisés sur les moyens matériels de caractérisation mécanique du laboratoire. L'objectif final est de disposer d'outils prédictifs robustes pour l'orientation optimale d'impression et la durée de vie des composants 316L-LPBF. La fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre (LPBF) s'est imposée comme un procédé de référence pour la production de composants en acier inoxydable AISI 316L à géométrie complexe dans les secteurs aéronautique, médical et énergétique. Si les caractéristiques microstructurales et les propriétés statiques de ce matériau sont désormais bien documentées, son comportement sous sollicitations cycliques, et en particulier les mécanismes responsables de l'anisotropie de fatigue liée à la direction d'impression, reste insuffisamment compris et modélisé. Les travaux récents menés au laboratoire SYMME dans le cadre de la thèse d'Axel Monnier (soutenance prévue 2026, financement ADDICT) ont permis d'établir une base expérimentale et numérique solide sur le 316L-LPBF : caractérisation mécanique cyclique sur éprouvettes orientées à 0°, 45° et 90° par rapport à la direction de construction, mise en évidence d'un fort effet Bauschinger témoin d'un écrouissage cinématique intense et développement d'un modèle compartimenté élasto-visco-plastique implémenté par éléments finis (MATLAB/Gmsh). Ce modèle, fondé sur la distribution statistique de propriétés granulaires - limite d'écoulement et taux d'écrouissage K - identifiées par Dynamique des Dislocations Discrètes (DDD), a démontré sa capacité à reproduire l'écrouissage cinématique et les anisotropies de comportement à l'échelle macroscopique.

Cependant, plusieurs verrous scientifiques demeurent ouverts. D'une part, la calibration du modèle compartimenté pour des chargements cycliques complexes multiaxiaux, à rapport de charge variable, susceptibles de générer du rochet ou de l'accommodation reste un défi. D'autre part, l'hypothèse d'une limite d'élasticité stricte, inhérente aux modèles élasto-plastiques classiques, est thermodynamiquement discutable : la microstructure du 316L-LPBF, riche en cellules de dislocations et en contraintes résiduelles intenses héritées du procédé, se réorganise dès les premières sollicitations, sans seuil franc identifiable.

Cette thèse propose d'explorer deux voies de modélisation complémentaires pour lever ces verrous. La première consiste à approfondir et étendre le modèle compartimenté vers des chargements cycliques de type fatigue, en enrichissant la description de l'hétérogénéité microstructurale (porosités, anisotropie élastique du 316L de structure CFC) et en développant une procédure de calibration robuste et systématique. La seconde introduit le formalisme DNLR (Distribution of Non-Linear Relaxation) qui décrit le comportement mécanique du matériau sans seuil d'élasticité au travers d'un spectre de processus de relaxation dont les temps caractéristiques dépendent non-linéairement de l'état de sollicitation. Ce formalisme, thermodynamiquement fondé et naturellement adapté aux phénomènes de relaxation, recouvrance et fatigue, n'a à ce jour jamais été appliqué au 316L-LPBF, ce qui constitue une originalité majeure de cette thèse. L'objectif général est de disposer, à l'issue de la thèse, d'outils prédictifs robustes et validés expérimentalement pour la prédiction du comportement cyclique et de la durée de vie du 316L-LPBF en fonction de l'orientation d'impression, directement exploitables par un ingénieur en charge du dimensionnement de composants fabriqués par LPBF. La méthodologie s'articule autour de quatre axes complémentaires et progressifs, combinant expérimentation, modélisation et validation. Les axes 2 et 3 sont menés en parallèle et s'alimentent mutuellement via la base de données expérimentale construite dans l'axe 1. L'axe 4 assure la synthèse comparative et la montée en maturité des outils développés.

Axe 1 - Campagne expérimentale complémentaire.

Les essais réalisés dans le cadre de la thèse d'Axel Monnier ont porté principalement sur la fatigue uniaxiale cyclique. La présente thèse complétera cette base par une série d'essais spécifiques, indispensables à la calibration et à la validation des deux approches de modélisation :
- Essais de relaxation à paliers de déformation imposée, pour identifier les temps de relaxation caractéristiques.
- Essais de recouvrance après décharge pour accéder aux modules relaxés.
- Essais cycliques à amplitude et rapport de charge variables, incluant des chargements dissymétriques susceptibles de générer du rochet.
- Essais à vitesses de déformation multiples pour quantifier la viscosité non-linéaire.

L'ensemble de ces essais sera conduit sur éprouvettes orientées à 0°, 45° et 90° par rapport à la direction de construction (BD), produites sur l'imprimante EOS M100 du SYMME.

Axe 2 - Développement et étude du modèle compartimenté.

En s'appuyant sur le code éléments finis interne développé par C. Déprès (MATLAB/Gmsh), le modèle compartimenté sera étendu et approfondi :
- enrichissement de la description de l'hétérogénéité en intégrant la porosité et l'anisotropie élastique du 316L-CFC,
- étude systématique de l'influence des distributions de propriétés granulaires (lois log-normale, Weibull, double distribution) sur l'écrouissage cinématique et la prédiction de durabilité,
- développement d'une procédure de calibration systématique sur la base de données expérimentale enrichie.

Les résultats attendus sont la capacité à prédire le comportement cyclique macroscopique, les champs de déformation plastique locaux aux joints de grains - indicateurs pertinents de nucléation de fissures de fatigue - et l'influence de l'orientation d'impression sur la durabilité.

Axe 3 - Application du formalisme DNLR au 316L-LPBF.

Le formalisme DNLR sera d'abord implémenté en 1D (MATLAB) pour un chargement de traction monotone, avec un spectre de 50 modes dissipatifs répartis sur 6 décades de temps de relaxation. Les paramètres matériau (modules instantané Eu et relaxé Er, énergie d'activation F, paramètre de non-linéarité K) seront identifiés par confrontation aux essais de relaxation et de recouvrance. L'extension aux chargements cycliques sera ensuite réalisée en intégrant les termes relatifs à l'évolution de la barrière d'activation avec l'énergie de déformation cumulée, permettant de rendre compte des boucles d'hystérésis, du rochet et de l'effet Bauschinger. L'anisotropie liée à la direction d'impression sera introduite par une dépendance des paramètres du modèle à l'orientation. La validation sera réalisée par confrontation systématique avec la base expérimentale complète issue de l'axe 1.

Axe 4 - Comparaison et synthèse.

Les deux approches seront comparées en termes de justesse de reproduction du comportement cyclique (boucles d'hystérésis, effet Bauschinger, rochet, anisotropie), d'efficacité numérique et de transposabilité à d'autres matériaux ou procédés LPBF. Des indicateurs de durabilité - déformation plastique cumulée maximale locale, hétérogénéité du champ de contrainte - seront extraits des simulations et corrélés aux durées de vie expérimentales, en vue de construire un critère de fatigue physiquement fondé.