Étude et modélisation des phénomènes de fretting-fatigue dans les assemblages frettés

Experimental study and numerical modelling of fretting-fatigue of shrink fit assemblies

• Auteur / Autrice : Melody Le Falher
• Direction : Siegfried Fouvry, Pierre Arnaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 23/09/2024
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Nélias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Siegfried Fouvry, Pierre Arnaud, Yves Nadot, Habibou Maitournam, Sylvie Descartes, Camille Gandiolle, Vincent Maurel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Nadot, Habibou Maitournam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Fretting

Fatigue

Chape

SWT

Troisième corps

Fretting

Fatigue

Lug

SWT

Third body

Résumé

Ce travail de recherche s’intéresse à la prévision de la durée de vie de liaisons chapes munies d’une bague frettée sollicitées par un chargement de fatigue axiale. Sous sollicitation de fatigue, les déformations relatives des pièces composant ces liaisons peuvent entrainer des glissements relatifs aux interfaces de contact frettées à même de générer des endommagements de surface dits de « fretting ». La rupture précoce de tels assemblages par effet de fretting, bien que suggérée dans plusieurs études industrielles et académiques reste incertaine et mal comprise. Par un couplage entre essais expérimentaux et simulations numériques, les objectifs de ces travaux ont été d’une part de mieux caractériser les endommagements par fretting générés sur l’interface du contact fretté Ti-6Al-4V/Maraging 250 de liaisons chapes et d’autre part d’identifier l’abattement de durée de vie induit par des endommagements de fretting sur des chapes sollicitées par un chargement de fatigue axiale. Une étude paramétrique numérique a permis de mettre en évidence une sensibilité importante des sollicitations de fretting générées sur l’alésage d’une chape sollicitée en fatigue avec la taille de l’alésage de la chape et l’épaisseur de la bague frettée. La stratégie expérimentale a été de tester des éprouvettes chapes munies de bague frettées pour différentes épaisseurs de bague et différents niveaux de serrage bague-chape. Deux traitements thermiques du matériau composant la bague ont été étudiés. L’abattement de durée de vie par effet de fretting a été estimé, sur les différentes configurations, à partir de l’erreur de prédiction en durée de vie d’un critère de fatigue multiaxiale, ne prenant pas en compte par défaut les endommagements de fretting générés aux interfaces de contact. Un abattement de durée de vie non négligeable a été observé, sensible non seulement à la géométrie de la liaison (épaisseur de la bague) mais également au matériau composant la bague. La corrélation entre sites de fretting et sites d’amorçage de fissure sur les pièces testées soutient l’hypothèse d’une accélération de la formation de fissure par la présence d’endommagements de fretting correspondant à des troisièmes corps et des points d’adhésion locaux. Une modélisation d’une liaison chape en présence d’un troisième corps a permis d’illustrer le phénomène d’ancrage et de sur-contrainte induit par ces endommagements locaux de fretting.

This research project is concerned with predicting the service life of lug joints fitted with a shrink-fit bush and subjected to axial fatigue loading. Under fatigue loading, the relative deformations of the different parts of a joint can lead to relative sliding at the shrink-fit contact interfaces, which can cause surface damages known as 'fretting'. Although suggested by several industrial and academic studies, the early failure of such assemblies due to fretting remains uncertain and poorly understood. By combining experimental tests and numerical simulations, the objectives of this work were firstly to better characterise the fretting damage generated on the interface of a Ti-6Al-4V / Maraging 250 shrink-fit contact of lug connections and secondly to identify the reduction in fatigue life induced by fretting damage on lugs subjected to axial fatigue loading. A numerical parametric study has shown that the fretting stresses generated on the bore of a lug subjected to fatigue were highly sensitive to the size of the lug bore and the thickness of the shrink-fit bush. The experimental strategy was to test lug specimens fitted with shrink-fit bushes for different bush thicknesses and different levels of lug-bush interference fits. Two heat treatments of the bush material were studied. The reduction in fatigue life due to fretting was estimated for the different configurations based on the error in predicting the fatigue life of a multiaxial fatigue criterion, which by default does not take into account fretting damage generated at the contact interfaces. A non-negligible reduction in fatigue life was observed, which was sensitive not only to the geometry of the joint (thickness of the bush) but also to the material of the bush. The correlation between fretting sites and crack initiation sites on the tested parts supports the hypothesis that crack initiation is accelerated by the presence of fretting damage corresponding to third bodies and local adhesion sites. A model of a lug connection in the presence of a third body was used to illustrate the phenomenon of anchoring and overstressing induced by these local fretting damages.