Etude expérimentale et numérique de l'usure et de son influence sur les mécanismes de fissuration en fretting et fretting fatigue

par Pierre Arnaud

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Siegfried Fouvry.

Soutenue le 17-12-2018

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 Véronique Doquet.

Le jury était composé de Siegfried Fouvry, Daniel Nélias, Habibou Maitournam, Sean Leen.

Les rapporteurs étaient François Robbe-Valloire, Georges Cailletaud.


  • Résumé

    Ce travail de recherche se concentre sur la compréhension de l’usure du Ti-6Al-4V et la compétition entre l’usure et les mécanismes de fissuration sous sollicitations de fretting et fretting fatigue. Il existe de nombreuses applications où le fretting et le fretting fatigue sont les causes de rupture de système, on pourra citer les turboréacteurs d’avions ou encore les axes de train. Les sollicitations cycliques dues au fonctionnement des systèmes produisent des micro-déplacements entre les pièces, typiques du fretting. Ces travaux se concentrent sur l’usure, la prise en compte des débris d’usure dans l’interface et leurs influences sur l’amorçage et la propagation des fissures. Pour répondre à ce problème, des études expérimentales et numériques ont été menées en parallèle.Dans un premier temps, une étude numérique et expérimentale sur la compétition entre usure et amorçage a été réalisée sur le Ti-6Al-4V. Deux configurations de contact ont été étudiées, cylindre/plan et poinçon/plan. L’étude du poinçon/plan a mis en évidence la nécessité de prendre en compte la rotation du contact dans la prévision des phénomènes d’amorçage. Une méthodologie basée sur le suivi de marqueurs a permis de mesurer expérimentalement la micro-rotation entre les échantillons en contact. L’incorporation de cette rotation dans les simulations numériques a permis de mettre en évidence son influence sur les phénomènes de fissuration. Ainsi une bonne simulation des phénomènes compétitifs entre l’usure et l’amorçage de fissure a pu être réalisée et des cartes de fretting ont été déterminées. Ces cartes présentent les domaines d’endommagement en fonction des conditions de sollicitation d’un contact.Cette première partie a mis en évidence que l’usure n’était pas simulée avec exactitude. L’usure est dépendante des conditions d’essais, en d’autres termes, sa cinétique n’est pas constante quelles que soit les sollicitations. Pour mieux comprendre les mécanismes mis en jeu dans le contact homogène du Ti-6Al-4V, une étude paramétrique a été menée et met en évidence 2 mécanismes principaux d’usure, l’abrasion et l’adhésion. Ces deux mécanismes ont été associés, à l’aide d’analyses MEB, respectivement aux phénomènes d’oxydation des surfaces et aux transferts métalliques interfaciales. Une vitesse d’usure distincte est associée à chacun des mécanismes et une loi globale prenant en compte tous les paramètres d’essais étudiés est proposée. Cependant, l’observation des traces d’usure expérimentales a montré la nécessité de prendre en compte les débris dans l’interface pour pouvoir simuler les profils d’usure. Ces derniers ont un effet de concentrateur de contrainte au centre du contact, ceci tend à augmenter la profondeur d’usure et à réduire l’extension latérale du contact. Un algorithme est proposé afin de pouvoir ajouter les débris dans les simulations d’usure et permet d’obtenir des profils d’usure avec une erreur de moins de 10%.Finalement, à l’aide du modèle complet d’usure avec les débris et de fissuration, la prévision des durées de vie en fretting fatigue a pu être réalisé. Nous montrons que la méthode développée permet d’estimer de manière adéquate la réponse en fretting fatigue d’un panel varié de conditions de chargements constants. Ainsi, la carte de fretting fatigue est établie, Cette carte donne, pour un contact donné, les domaines d’amorçage, de rupture et d’activation de l’usure en fonction des chargements macroscopiques de fretting et de fatigue, est établie.


  • Résumé

    This research work focuses on the comprehension of the Ti-6Al-4V wear and the competition between wear and crack processes under fretting and fretting-fatigue solicitations. There are many applications where fretting and fretting fatigue cause system failure, such as aircraft engines or train shafts. The cyclic solicitations, due to the system functioning, produce micro-displacements between parts, which are typical of fretting. Here, we are focusing on wear, taking into account debris layers in the contact interface and their effects on crack nucleation and propagation. To answer this problem, experimental and numerical studies have been carried out.First, an experimental and numerical approach on the competition between wear and crack nucleation was performed on Ti-6Al-4V. Two contact configurations were studied, cylinder/plane and punch/pane. The punch/plane study showed the necessity of taking into account the contact rotation in the crack nucleation prediction. A methodology, based on the markers tracking, allows us to measure experimentally the micro-rotation between the two bodies in contact. The incorporated rotation in the numerical simulations confirms its influence on the crack nucleation. Hence, good simulations of competitive phenomena could be performed, and fretting maps were drawn. Fretting maps introduce damage domains as a function of solicitation conditions of the contact.This previous part has shown that wear was not well simulated. Wear depends on test conditions, in other words, its rate is not constant whatever the solicitations. To better understand the mechanisms involved in the homogeneous contact of Ti-6Al-4V, a parametric test campaign was led. This work, confirmed by SEM analysis, showed 2 principal wear mechanisms, respectively oxidation and metallic transfer between surfaces. A distinct wear rate can be related to each mechanism, thus a global law taking into account all test parameters is proposed. Nevertheless, the observed experimental wear scar demonstrates the necessity to take into account the debris layer in the contact interface in order to simulate wear profiles. These layers have a concentrator effect on stresses in the inner part of the contact, resulting in an increase of wear depth and a reduction of lateral contact extension. A new algorithm is proposed to add debris layer in the wear simulation and enables us to predict simulated wear profiles with an error below 10 %.Finally, helped by the global model with wear, debris layer and crack process, the lifetime can be predicted in fretting fatigue. We show that the developed methods allow adequate estimation of the fretting fatigue cracking response for a various panel of constant loadings. Hence, the fretting fatigue map is established. The map describes, for a given contact, the cracking nucleation domain, failure domain and activation of wear domain as a function of macroscopic fretting and fatigue loadings.


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