Analyse de la réponse tribologique d'un contact cylindre/plan soumis à des sollicitations de fretting sous chargement complexe : influence d'une solution Lithium-Bore

par Estelle Marc

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Siegfried Fouvry et de Christian Phalippou.

Soutenue le 22-01-2018

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Yves Berthier.

Le jury était composé de Siegfried Fouvry, Habibou Maitournam, Isabelle Caron-Lemaire.

Les rapporteurs étaient Jean Denape, Caroline Richard.


  • Résumé

    Ce mémoire présente une analyse de la réponse tribologique d’un contact cylindre/plan soumis à des sollicitations de fretting sous chargement complexe, à savoir une sollicitation normale de force sinusoïdale et une sollicitation tangentielle de déplacement sinusoïdal, toutes deux possiblement sujettes à des fluctuations d'amplitude, de fréquence et de déphasage entre sollicitations. On s'intéresse plus particulièrement à l’usure des guides de grappe en 304L par les crayons en 316L nitrurés, induite par les vibrations de l’écoulement du fluide primaire dans les réacteurs nucléaires.L’étude expérimentale menée dans un environnement non représentatif mais très simple, à savoir un milieu sec et à l'ambiante, montre une usure non négligeable des deux contre-corps ce qui révèle les propriétés fragiles du tube nitruré dans cet environnement. Une très forte dépendance des faciès d’usure avec l’amplitude de glissement est notée. Seule la cinétique d’usure du tube nitruré est influencée par l'évolution de la charge normale. Aussi, une description analytique de l’énergie de frottement est développée, en prenant compte de l’ensemble des paramètres de chargement.En solution aqueuse lithium-bore, choix de milieu un peu plus représentatif mais en restant néanmoins à l'ambiante, seul le plan en acier 304L s’use, le cylindre en acier 316L nitruré n’étant pas sujet à de l'usure détectable. Un couplage avec des phénomènes corrosifs est proposé. En fretting simple, le confinement du contact augmente localement la valeur du pH et l’analyse de l’influence de la fréquence de fretting suggère que seule la couche passive est usée entre chaque glissement. Sous chargement complexe, la fluctuation de la charge normale permet une meilleure accessibilité de la solution dans l’interface frottée, augmentant localement les effets tribocorrosifs. Une loi d’usure multiplicative prenant en compte les différents effets de fluctuation des sollicitations est introduite et sa stabilité est vérifiée.Un modèle de calculs par éléments finis permet de simuler les profils d’usure en fretting simple et aussi en présence de force normale variable. En fretting simple, les résultats de simulation d'essais où seul le plan 304L s'use sont satisfaisants. En revanche, la non-superposition des profils expérimentaux et numériques lorsque la force normale fluctue confirme la présence de phénomènes physiques dans l'interface non encore représentés dans l'outil numérique.


  • Résumé

    This PhD thesis presents an analysis of the fretting wear of a cylinder/plane contact subject to complex loading conditions, namely a normal sinusoidal force solicitation and a tangential sinusoidal displacement, both possibly subject to fluctuations in amplitude, frequency and phase shift between signals. The purpose of this work is to study the wear of 304L cluster guides by nitrided 316L rods due to flow-induced vibrations of primary fluid in nuclear reactors.Firstly, the experimental study conducted in a dry and ambient temperature - a non-representative but very simple environment - shows significant wear of both counter-bodies, which reveals the fragile properties of the nitrided tube in this environment. A very strong dependence of the fretting scar morphology with the sliding amplitude is noted. Only the wear kinetics of the nitrided tube is influenced by the evolution of the normal load. Also, an analytical description of friction energy is developed, taking into account all loading parameters.In a second hand, in aqueous lithium-boron solution, a slightly more representative choice of medium but still remaining in the ambient, only the 304L steel plane wears out, the 316L nitrided steel cylinder is not subject to detectable wear. A coupling with corrosive phenomena is proposed. In simple fretting, contact confinement locally increases the pH value. Moreover, the analysis of the influence of the fretting frequency suggests that only the passive layer is worn between each slip. Under complex loading, the fluctuation of the normal load allows a better accessibility of the solution in the rubbed interface, increasing locally the tribocorrosive effects. A multiplicative wear law taking into account the various effects of normal force fluctuation is introduced and its stability is checked.Finally a finite element calculation model is used to simulate wear profiles in simple fretting and also in the presence of variable normal force. Only cases where the plan wears out (lithium-boron environment) have been simulated. In simple fretting, test simulation results are satisfactory. On the other hand, the non-superposition of the experimental and numerical profiles when the normal force fluctuates, confirms the presence of physical phenomena in the interface which are not yet represented in the numerical tool.


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  • Sous le titre : Analyse de la réponse tribologique d'un contact cylindre/plan soumis à des sollicitations de fretting sous chargement complexe : influence d'une solution Lithium-Bore
  • Détails : 1 vol. (xii-219 p.)
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