Transformations tribologiques de surface : une approche thermo-mécanique

par Grégory Antoni

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Frédéric Lebon et de Thierry Desoyer.

Soutenue en 2010

à Aix-Marseille 1 , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) , en partenariat avec Université de Provence. Section sciences (autre partenaire) .

mots clés

• Tribologie (technologie)

Résumé

Lorsqu'un solide subit des sollicitations tribologiques, des modifications structurales peuvent se produire en surface mais aussi dans le volume - au voisinage proche de la surface sollicitée -, qui correspondent pour certains matériaux, notamment pour les métaux, à des transformations de phase solide/solide. Depuis un certain nombre d'années, ces phénomènes appelés Transformations Tribologiques de Surface (TTS) sont apparus sur certains types de rails pour voies ferrées, et, plus précisément, en ligne droite sur la bande de roulement. Ces transformations se présentent sous la forme de phases blanches -"White layers"- et correspondent à des transformations de phase de type ferrite/martensite. Afin de rendre compte de ces TTS, nous proposons une formulation thermodynamique s'inscrivant dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles dont le cadre d'écriture se réduit à la définition d'un potentiel d'état - pour les aspects réversibles - et d'une surface seuil - pour les aspects irréversibles - thermodynamiquement et physiquement admissibles. A partir de cette formulation , trois modèles thermodynamiquement admissibles s'inspirant des travaux antérieurs sur la plasticité "TRlP"(TRansformation Induced Plasticity) sont proposés. L'intégration numérique des équations constitutives de ces modèles est faite par une méthode de type Retour Radial (Retum Mapping Aigorithm) dans le code d'éléments finis Aster (R&DIEDF). Quelques résultats numériques sont exposés afin d'illustrer les performances des trois modèles quant à décrire ces transformations de phases solidesolide.

Titre traduit

Tribological surface transformations : a thermo-mechanical modelling

Résumé

When solids are subjected to tribologicalloads, strilctural changes can occur both at the surface and in depth, immediately below the loaded area: in the case of sorne materials, especially metals, these changes are known as solid/solid phase transformations or Tribological Surface Transformations (TSTs). Ferrite/martensite phase transformations ofthis kind, resulting in the formation ofwhite layers, have been occurring during the last few years in sorne types of French train rails, mainly at the surface of straight sections of the rails. Ln order to account for the formation ofthese TSTs, a thermo-mechanical model is developed here in the framework of the Thermodynamics of Irreversible Processes, where the modelling procedures used are based simply on defining a thermodynamically and physically admissible state potential (in the case of the reversible aspects) and threshold area (in that of the reversible aspects). 8ased on this formulation, two thermodynamically consistent others models are developed, using the results of previous studies in the field of TRansformation Induced Plasticity (TRIP). The numerical integration of the constitutive equations involved in these three models was performed using Retum Mapping Algorithm methods in the Aster finite element code developed at the company EDF. The numerical results presented as examples show these three models ability to describe solid/solid phase transformations ofthis kind.