Le but de cette étude est la détermination de la durée de vie en l’amorçage et en propagation d’un acier XC38 (EA1N) utilisé comme matériau pour les essieux-axes de TGV soumis à des sollicitations complexes de fretting fatigue. Cette étude est plus précisément orientée sur la prédiction de l’amorçage des fissures en fonction de charges appliquées et la prédiction de la condition d’arrêt de propagation des fissures. Conformément à cette analyse, l’étude expérimentale se divisera en deux grandes parties : l’une aborde la problématique de la condition d’amorçage alors que l’autre traite des phénomènes de propagation. Dans la première partie, des essais spécifiques de fretting simple et fretting fatigue ont été réalises afin de caractériser les conditions seuil d’amorçage des fissures dans l’acier étudié. Ceci nous conduira à déterminer un seuil d’amorçage en fonction des conditions de chargement. On s’attachera en particulier à la mise en place de méthodes capables de prédire le risque d’amorçage et ainsi pouvoir définir un domaine de sûreté absolue vis à vis de la sollicitation de fretting fatigue. La deuxième partie de ce travail a concerné le problème de la propagation des fissures. Des essais de fretting simple et fretting fatigue ont été réalisés pour déterminer les lois de propagation des fissures avec notamment la mise en évidence des conditions d’arrêt de propagation. La méthodologie développée, qui intègre la propagation des fissures courtes puis des fissures longues, nous a permis de modéliser les courbes de Wöhler en fretting fatigue et surtout de prédire la condition d’arrêt de propagation des fissures en fretting fatigue.

Fretting wear and fretting fatigue are commonly associated with damage of quasistatic loaded assemblies and with decrease in lifetime. Depending on the sliding condition, wear induced by fretting or cracking induced by fretting can be observed. To quantify such competitive damage phenomena, a fretting map approach has been extensively applied describing the sliding conditions and the damage evolution as a function of the normal force and the displacement amplitude. This approach, considered as a useful methodology to analyze tribo-systems, nevertheless presents the limitation of not allowing a direct comparison between tribo-systems. To rationalize this experimental approach and facilitate the comparison between tribo-systems, normalized sliding condition and crack nucleation fretting maps are introduced. Based on contact mechanics, the sliding transition is quantified using a fretting sliding criterion, and a specific formulation is provided to identify the local friction coefficient under partial slip condition. Cracking, which is mainly observed under stabilized partial slip condition, is analyzed by applying multiaxial criteria and taking into account the size effect. Wear, which is favored under gross slip condition, is quantified through an energy approach. Finally a global methodology is developed by which the sliding condition, the crack nucleation under partial slip condition and the wear kinetics under gross slip regime may be quantified.

Some recent research literature has proposed that the initiation of fatigue cracks under fretting conditions is largely dependent on the local macroscopic stress distribution in the contact area. The work reported herein is an.

CE TRAVAIL A ETE CONSACRE A LA COMPREHENSION ET LA MODELISATION A L'ECHELLE MACROSCOPIQUE DES MECANISMES DE FISSURATION SOUS UN CHARGEMENT DE FRETTING FATIGUE STATIQUE (FFS). LES FISSURES SONT SOLLICITEES EN MODE MIXTE SOUS CONDITIONS NON PROPORTIONNELLES (CNP). LES CONCEPTS CLASSIQUES DE LA MECANIQUE ELASTIQUE LINEAIRE DE LA RUPTURE NE PERMETTANT PAS DE CONSIDERER CES DIFFERENTES CONDITIONS, IL ETAIT NECESSAIRE DE PROPOSER UNE NOUVELLE APPROCHE. POUR CELA NOUS AVONS MENE CONJOINTEMENT UNE ETUDE EXPERIMENTALE ET UNE ETUDE THEORIQUE. DEUX CAMPAGNES D'ESSAIS COMPLEMENTAIRES ONT ETE MENEES AFIN D'ETUDIER LA FISSURATION SOUS FFS. LA PREMIERE ETUDE A ETE CONDUITE SUR TROIS ALLIAGES D'ALUMINIUM AERONAUTIQUES. TOUTES LES OBSERVATIONS ONT ETE REALISEES APRES ESSAI DE FACON DESTRUCTIVE. LA REPONSE DES MATERIAUX A ETE ANALYSEE EN TERMES DE DEGRADATIONS. NOUS AVONS ENSUITE DEFINI LES SITES D'AMORCAGE ET LES DIRECTIONS DE PROPAGATION AU COURS DES STADES I ET II. LA SECONDE CAMPAGNE A ETE CONDUITE SUR UN MATERIAU PHOTOELASTIQUE. LA VISUALISATION EN TEMPS REEL DE L'EVOLUTION DES ISOCHROMES LE LONG DES FACES DE FISSURES NOUS INDIQUE LE COMPORTEMENT DES FISSURES. L'AMORCAGE ET LA PROPAGATION DES FISSURES ONT ETE OBSERVES EN TEMPS REEL. L'ETUDE DE L'EVOLUTION DES VITESSES DE PROPAGATION COUPLEE AUX OBSERVATIONS DES FACIES DE FISSURES NOUS A PERMIS DE DEFINIR DIFFERENTES PERIODES DE PROPAGATION. L'OBJECTIF DE L'ETUDE THEORIQUE ETAIT D'IDENTIFIER LES PARAMETRES MACROSCOPIQUES GOUVERNANT LES DIFFERENTES PERIODES DE PROPAGATION SOUS FFS. TOUT D'ABORD, NOUS AVONS ANALYSE LES MECANISMES D'AMORCAGE ET DE PROPAGATION AU COURS DU STADE I. NOTRE APPROCHE S'EST INSCRITE DANS LE CADRE DE LA MMC. ELLE NOUS A PERMIS DE PREVOIR LES SITES D'AMORCAGE PRES ET DANS L'AIRE DE CONTACT AINSI QUE LES PREMIERES DIRECTIONS DE PROPAGATION, SOUS DIFFERENTES CONDITIONS DE FRETTING. NOUS AVONS ENSUITE DEFINI LES CONDITIONS GOUVERNANT LA TRANSITION DU STADE I AU STADE II. ENFIN, NOUS AVONS DETERMINE LES DIRECTIONS ET MODES DE PROPAGATION AU COURS DU STADE II. AFIN DE PRENDRE EN COMPTE LES CNP EN POINTE DE FISSURES, UN CRITERE ADAPTE A NOTRE CHARGEMENT ET AU MATERIAU A ETE SELECTIONNE. POUR COMPLETER CETTE ANALYSE, UNE ETUDE PLUS DETAILLEE DES CHAMPS DE CONTRAINTES EN POINTE DE FISSURE NOUS A PERMIS DE DEFINIR PLUS CLAIREMENT LE MODE DE PROPAGATION DES FISSURES.

LES DEGRADATIONS OBSERVEES DANS LES CONTRATS SOUMIS A DES SOLLICITATIONS DE FRETTING APPARAISSENT SOUS DIFFERENTES FORMES EN FONCTION DES CONDITIONS DE SOLLICITATION. FONDEE SUR L'ANALYSE ELASTIQUE DU CONTACT SPHERE-PLAN, CETTE ETUDE A POUR OBJECTIF DE QUANTIFIER LES TROIS ASPECTS QUE SONT : LA CONDITION DE GLISSEMENT, L'AMORCAGE DE FISSURES EN GLISSEMENT PARTIEL ET L'USURE PAR FORMATION DE DEBRIS POUR LES GRANDES AMPLITUDES DE GLISSEMENT. ON MONTRE QUE LA CONDITION DE GLISSEMENT PEUT ETRE DECRITE A PARTIR DE TROIS VARIABLES A, B, C QUI PERMETTENT DE DEFINIR LA TRANSITION ENTRE GLISSEMENT PARTIEL ET GLISSEMENT TOTAL. LA CONDITION D'AMORCAGE A GRAND NOMBRE DE CYCLES, ETUDIEE EN GLISSEMENT PARTIEL, DEPEND DU COMPORTEMENT DU MATERIAU. POUR UN ACIER PRESENTANT UN ECROUISSAGE DU TYPE ISOTROPE (30NCD16), LE CRITERE DE DANG VAN PERMET DE QUANTIFIER LE RISQUE D'AMORCAGE DANS LE CONTACT SI L'ON TIENT COMPTE DU COEFFICIENT DE FROTTEMENT LOCAL DANS L'ANNEAU DE GLISSEMENT ET DE L'EFFET D'ECHELLE. POUR LES ACIERS FORTEMENT ALLIES, FRAGILES (SC6-5-2), IL IMPORTE DE TENIR COMPTE DES MICRO-CARBURES PRESENTS DANS L'ACIER ET D'ASSOCIER LA CONDITION DE FISSURATION A UN SEUIL DE PROPAGATION. L'USURE PAR FORMATION DE DEBRIS EN GRANDS DEBATTEMENTS EST ETUDIEE EN ASSOCIANT LA QUANTITE DE MATIERE USEE A L'ENERGIE INTERFACIALE DISSIPEE. L'ANALYSE GLOBALE EST AFFINEE PAR UNE DESCRIPTION LOCALE DE L'ENERGIE DISSIPEE DANS LE CONTACT. ON INTRODUIT DES COEFFICIENTS ENERGETIQUES D'USURE QUI MONTRENT UNE CINETIQUE DE DEGRADATION DE L'ACIER SC6-5-2 DE 9 A 10 FOIS SUPERIEURE A CELLE DU DEPOT TIN.

Ces travaux sont consacrés à l'étude des mécanismes prépondérants pouvant intervenir dans l'endommagement en fretting-fatigue pour des alliages Al-Cu-Li. Afin d'apporter des réponses, une importante étude expérimentale a été menée en 3 sections distinctes : comportement en fatigue avec concentration de contrainte dans la pièce; résistance à l'endommagement en fretting; essais de fretting-fatigue. Un effort particulier est réalisé pour déterminer l'influence de la microstructure sur ces différents mécanismes. Dans les conditions testées en fatigue, les matériaux étudiés présentent des durées de vies similaires alors que les chemins de fissuration diffèrent aussi bien au niveau macroscopique que microscopique. L'analyse EBSD de zones fissurées met en lumière l'importance de la texture pour les alliages à l'état UA à la différence de ceux à l'état T8. L'état de précipitation est cependant le facteur le plus important contrôlant la morphologie de la fissure. Contrairement à la littérature, cette étude montre que les mécanismes de fretting ne sont pas indépendants de la microstructure. En effet, pour des conditions testées identiques, les alliages à l'état UA présentent un meilleur comportement à la fissuration que ceux à l'état T8. Deux techniques d'analyses 3D ont été utilisées afin de mettre en évidence l'effet de la microstructure. L'analyse des faciès de rupture des éprouvettes de fretting-fatigue a permis de décomposer le mécanisme d'endommagement en trois étapes: amorçage en fretting, propagation sous dominance mixte de la sollicitation de fretting et de fatigue, puis propagation uniquement contrôlée par la fatigue jusqu'à rupture brutale de l'échantillon.