Prévision de la durée de vie en fatigue de roulement d'un acier a partir de ses caractéristiques élastoplastiques et de celles de ses inclusions

par Patrick Meynaud

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Gérard Lormand.


  • Résumé

    L'écaillage profond amorcé en sous-couche est le mode de rupture le plus fréquent des roulements à billes subissant une fatigue de contact Hertzien en conditions de lubrification élasto-hydrodynamique (EHD) et en l'absence d'une rugosité importante. Des inclusions non métalliques de type grain d'oxyde provoquent dans le champ de Hertz une concentration de contraintes qui entraîne localement une décomposition de la matrice martensitique en une phase blanche. Cette décomposition est due aux dislocations émises pour accommoder les incompatibilités élasto-plastiques entre l'inclusion et la matrice et à leur accumulation provoquée par le chargement cyclique. Une fissure apparaît lorsque la densité de dislocations au sein du papillon atteint une valeur limite ; elle se propage ensuite en direction de la surface où elle provoque l'écaillage de la piste de roulement. Une modélisation de ce processus complexe qui s'appuie sur des concepts de micro-mécanique et de métallurgie physique est proposée. Une étude expérimentale du phénomène par expertises ultrasonore et métallographique a permis de suivre la progression de l'endommagement. Des expertises ultrasonores ont permis de localiser, puis d'analyser chimiquement et de caractériser élastiquement les inclusions de l'acier 100Cr6. L'utilisation conjointe de la modélisation et de la caractérisation de la distribution inclusionnaire permet de simuler les résultats des essais de fatigue standards utilisés pour caractériser la résistance des aciers à la fatigue de roulement. La comparaison entre les résultats expérimentaux et simulés est satisfaisante. La dispersion des durées de vie est principalement due à la dispersion de la position des inclusions dans le champ de Hertz. La simulation permet de comprendre le rôle de la taille et de la nature des inclusions.

  • Titre traduit

    = Roller bearings life prediction, taking into account the elastoplastic properties of the steel and its inclusions


  • Résumé

    Under elasto-hydro-dynamic lubrication (EHD) conditions and when the roughness of the contact surfaces is very low the principal damage process in rolling fatigue is subsurface initiated deep spalling. The strain rnisfit between residual non metallic inclusions and the martensitic matrix, due to their differences in elastoplastic properties, is responsible for a local stress concentration which can be partially relaxed by dislocation emission. Under cyclic loading the emitted dislocations induce a transformation of the martensite within a finite volume surrounding the inclusion, often called "butterfly" due to its shape. The increase in the dislocation density leads to crack initiation within the butterfly. The propagation of this subsurface crack towards the surface results in the bearing failure by spalling. A model of this complex mechanism based upon micromechanics and physical metallurgy concepts is presented. The damage process is surveyed by means of ultrasonic echography and metallographie observations. The inclusions of AISI 52100 steel are localized by means of ultrasonic echography, then their species and elastic properties are characterized. Our crack initiation and propagation modeling, taking into account the inclusion distributions, allows us to simulate standard fatigue tests used for characterizing the fatigue properties of bearing steels. The comparison between experimental and simulation results is satisfactory. The distribution of the life times is mainly caused by the distribution of the inclusion positions in the Hertzian stress field. The roles of the size and the species of the inclusions are understood owing to the simulations.

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  • Annexes : Bibliogr. p

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