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Ensuring the integrity of components throughout their lifespan is a major industrial issue, especially for nuclear facilities. The safety assessments of components must cover all possible situations, including very exceptional ones, such as earthquakes. For a monotonic loading, several theoretical frameworks exist to predict crack growths. The first part of this thesis is dedicated to the experimental study of the behavior of cavities, laboratory test specimens and a representative structure of a secondary nuclear power plant piping subjected to cyclic loadings. This experimental study is complemented by in-situ X-ray tomography tests conducted on axisymmetric notched tensile specimens loaded cyclically. The second part of this thesis is devoted to a theoretical study of the influence of cyclic loadings on void growth models. First, the void growth model of Morin is implemented in a finite element computational code to compare its predictions with the results of micromechanical simulations. It is shown that a better consideration of the effect of elasticity is essential to correctly predict the growth of a void subjected to cyclic loadings. Then, through determining the exact equation of porosity rate including elastic strains, an improvement of Morin's model is proposed in order to take into account the effects of elasticity.Finally, in the third part of this thesis, a numerical study of cyclic ductile rupture is conducted through simulations of the behavior of laboratory test specimen and a pipe mock-up. These simulations validate the predictions of the proposed model and its relevance to predict the behavior of structures subjected to cyclic loading of large amplitudes., Garantir l’intégrité des structures tout au long de leurs durées de vie est un sujet industriel majeur, en particulier pour les installations nucléaires. La démonstration de sûreté des équipements doit couvrir l’ensemble des sollicitations possibles, y compris les situations très exceptionnelles, comme les séismes. Pour un chargement monotone, plusieurs cadres théoriques existent pour prédire la propagation des fissures. La première partie de cette thèse est dédiée à l’étude expérimentale du comportement de cavités, d’éprouvettes de laboratoires et d’une structure représentative d’une tuyauterie secondaire de centrale nucléaire soumises à des chargements cycliques. Cette étude est complétée par des essais in-situ de tomographie par rayons X menés sur des éprouvettes axisymétriques entaillées chargées de manière cyclique. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l’étude théorique de l’influence des chargements cycliques sur les modèles de croissance de cavités. Le modèle de croissance de Morin est implémenté dans un code de calcul éléments finis afin de comparer ses prédictions avec les résultats de simulations micromécaniques. Dans un second temps, à partir de l’équation exacte d’évolution du taux de porosité incluant les déformations élastiques, une amélioration du modèle est proposée. Enfin, dans la troisième partie, une étude numérique de la rupture ductile cyclique est menée à travers la simulation du comportement d’éprouvettes de laboratoires et de structures de type tuyauterie. Elles permettent de valider les prédictions du modèle proposé ainsi que sa pertinence pour prédire le comportement de structure soumises à un chargement cyclique de grandes amplitudes.

Fatigue design approaches based on fatigue life criteria require as an input mechanical parameters (stress orstrain components or equivalent measurements, energetic terms) usually calculated over the first cycle, assumingthat the material behaves elastically or exhibits highly localized plasticity processes. In viscous materials likepolymers, such approaches raise the question of the stabilization of the cycle over which the mechanical parametersshould be computed. The challenge is not only to predict the ratcheting strain but also the stabilized loop itself andthe relevant energetic contributions, within a formalism as simple as possible to be used for structure simulations.In this study conducted in polyethylene, a special interest is paid on the viscoelastic contribution, expected tohighly contribute in the low stress range of high-cycle fatigue. A challenge is to accurately capture two time scales,i.e. the long term scale of strain ratcheting and the short term scale of the cycle itself.In the first part, cyclic accommodation is experimentally investigated over the first thousand cycles of forcecontrolledtests at room temperature. Viscoelasticity tackles in a specific way the frequency and mean stresssensitivity which are both varied in the experiments. Viscoelasticity also questions the volume / deviator partition:tension and shear tests are compared to highlight this point.After establishing from recovery tests that viscoelasticity mainly contributes to the ratcheting strain in bothexperiments series, a small-strain non-linear viscoelastic model is proposed in the framework of Thermodynamicsof Irreversible Processes. The aim is to capture the ratcheting strain evolution and recovery kinetics, as well as thestabilized loop area and dynamic modulus. The mean strain kinetics and non-recoverable term appearunderestimated, due to the fact that inelastic strain parts are not taken into account in the model. On the other hand,the loop area and rigidity are reasonably predicted.Volume / deviatoric contributions are on two counts an open issue, because of their different contribution tothermoelastic coupling. Thermo-mechanical coupling is examined in the last part of the presentation, by couplingthe above described model to temperature and analyzing the resulting heat sources evolution.; Dans une approche de dimensionnement en fatigue basée sur un critère multiaxial, les paramètres d’entrée ducritère (contraintes, déformations, termes énergétiques) sont généralement calculés sur un état stabilisé. Dans lesmétaux, il s’agit souvent du premier cycle, en supposant que le matériau se comporte élastiquement ou présente desprocessus de plasticité très localisés. Dans les matériaux viscoélastiques comme les polymères, l’évolutionsignificative de la raideur en début de cyclage soulève la question de la stabilisation du cycle sur lequel lesparamètres mécaniques devraient être calculés. Un enjeu majeur est donc de définir et prédire cet état stabilisé, c’està dire non seulement l’évolution de la déformation moyenne qui accompagne le cyclage mais aussi la bouclestabilisée elle-même et les contributions énergétiques pertinentes. Pour être applicable à des structures, le modèledoit conserver un formalisme aussi maniable que possible.Dans cette étude, réalisée sur les 1000 premiers cycles de la vie d’un polyéthylène, il est montré, par des essaisde recouvrance, que la contribution viscoélastique à l’évolution de la déformation moyenne est majoritaire. Unintérêt particulier est donc porté à la caractérisation expérimentale et à la modélisation macroscopique de cet aspectdu comportement.La première partie du travail est menée dans un cadre purement mécanique. L’accumulation cyclique estétudiée expérimentalement au cours des premiers 1000 cycles à force contrôlée et faible fréquence, à la températureambiante. L’influence de la fréquence et du rapport de charge sur la réponse viscoélastique est étudiée. Lacomparaison d’essais de traction et de cisaillement de type Iosipescu permet de discuter les parts volumique etdéviatorique. Un modèle viscoélastique non linéaire isotherme en petites déformations est proposé dans le cadre dela Thermodynamique des Processus Irréversibles.Dans la deuxième partie, l’étude expérimentale et théorique est étendue au cadre thermo-mécanique. Latempérature est en effet intrinsèquement couplée à la viscoélasticité dans les polymères ; cet effet peut conduire àdes auto-échauffements importants. Les mêmes essais de traction et cisaillement sont réalisés par le LMGC deMontpellier avec une métrologie différente : la mesure de champs de température et déformation au cours de l’essaipermet de calculer les différents termes de l’équation de diffusion de la chaleur et d’accéder aux sources de chaleur.Ces résultats expérimentaux sont analysés et confrontés à une extension du modèle thermo-viscoélastique dumodèle dans laquelle le couplage est introduit via la thermo-élasticité (par la déformation volumique) et via ladissipation visqueuse (sur la base du principe d’équivalence temps-température).

This work has a first objective to point out the importance of the quality of the experimental data base used for the identification of the material parameters. For this goal,we will combine proportional and non proportional strain controlled as well as ratcheting tests to constitute different data bases. This work has also another objective related to an experimental study in order to see how previous strain controlled history may affect ratcheting. Such a situation may be encountered in different manufacturing processes. New tests were performed here where different strain controlled histories have been applied prior to tension-compression stress controlled tests. All tests considered here were carried out using tubular specimens made up of 304L stainless steel. In order to minimize the discrepancy of the material behavior, In this study, we consider two groups of stress/strain controlled experiments EXP1 and EXP2 performed on the 304L stainless steel. These tests have been conducted applying a sufficient number of cycles leading to the stabilization of thecyclic material response. The first set (EXP1) is taken from our previous works, it will be used in order to identify the parameters of Chaboche’s model with different combinations of strain and/or stress controlled tests. The second set (EXP2) is performed in this study; it includes tests composed of two sequences where strain controlled experiments are followed by ratcheting tests. The responses EXP2 will be simulated by Chaboche’s model with the different set of parameters identified with EXP1.The obtained results reveal the importance of such a role as according to the previous history, the same stress controlled conditions may lead to different cyclic behaviors: fully elastic in one case and plastic shakedown in anothercase. The previous pre-straining may also lead to the anisotropy of the material leading to slight ratcheting under tension-compression with zero mean stress! The study points out also the importance of the content of the experimental data base used for the parameters identification. The choice of the tests should be closely linked to the capabilities of the constitutive equations used. Namely, the presence of non proportional strain controlled tests may be not suitable if the model is not able to take into account explicitly such a character. Finally, in the industrial applications, the choice of the tests to be included for the identification process should also take into account the stress and strain states for the identification process should also take into account the stress and strain states applied to the considered components when such information is available., Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l’étude de l’effet de l’identification des paramètres matériau sur la prévision du comportement cyclique. Une étude de l’effet de la pré-déformation sur la réponse du matériau vis à vis le rochet est aussi présentée. Pour cela deux types d’expériences ont été menés au sein de l’équipe Mécanique du Groupe de Physique des Matériaux (GPM, UMR 6634) à l’INSA de Rouen sur un acier inoxydable de type 304L : Les essais EXP1 contenant des essais à déformation imposée axiale et multiaxiale et des essais de rochet en une et deux phases. Ces essais sont tirés de la littérature et nous ont servi de base de donnée pour la réalisation des différentes étapes de l’identification. Les essais EXP2 contenant des essais de rochet après déformation imposée.Ils sont réalisés dans le cadre de cette étude et permettent l’étude de l’effet de la pré déformation sur le phénomène de rochet. L’identification des paramètres est faite‘’automatiquement’’ avec une méthode d’optimisation en utilisant des bases de données à complexité croissante. Les paramètres identifiés sont ensuite injectés dans des simulations qui seront superposées avec les courbes expérimentales. L’ensemble des simulations est fait avec le code de calcul Zébulon avec le choix du modèle de Chaboche. Les résultats obtenus montrent l’effet de la pré déformation sur le rochet selon les histoires, les mêmes conditions à contraintes imposées peuvent mener à différents comportements cycliques : Elastique et adaptation plastique dans d’autre cas. La pré-déformation précédente peut également mener à l'anisotropie du matériau conduisant à un faible rochet sous traction compression avec une contrainte moyenne nulle !L'étude précise également l'importance de la base de données expérimentale utilisée pour l'identification de paramètres. Le choix des essais devrait étroitement être lié aux équations constitutives du modèle choisis . À savoir, la présence des essais à déformation imposée non proportionnelle peut être non appropriée si le modèle ne peut pas tenir compte explicitement d'un tel caractère.