Les endommagements sous chargement de fretting fatigue sont un enjeu majeur dans le domaine aéronautique. Cette sollicitation induit de forts taux d’abattement comparée à une sollicitation simple de fatigue multiaxiale. Une démarche basée sur des essais expérimentaux et le développement d’un moyen de calcul est proposée dans ce travail. De nombreux essais expérimentaux de fretting fatigue sont réalisés. Plusieurs configurations sont proposées, en faisant varier la géométrie du contre-corps, de façon à mettre en évidence un effet du gradient des contraintes sous le contact. Ces essais permettent de quantifier le seuil d’amorçage de la fissuration à 106 cycles. A partir de ces données, regroupées dans des cartes de fretting fatigue, un critère numérique est alors développé pour prédire les conditions d’amorçage à 106 cycles. Cette approche se base sur une analyse de la contrainte maximale principale à une certaine « distance critique » de la surface et inclut une fonction de poids dépendante du gradient des contraintes sous le contact.L’application industrielle est très intéressante puisque le critère prédit correctement le site d’amorçage de la fissuration et renseigne sur le risque d’amorçage à 106 cycles. Ces résultats ouvrent des perspectives très intéressantes pour mettre en œuvre cette méthodologie lors du dimensionnement des structures. / Fretting fatigue cracking response of a Ti-10V-2Fe-3Al titanium alloy was investigated in high cycle fatigue. Tests were conducted in a plain cylinder on plane configuration and partial slip condition was considered. In this study, a dual-actuator fretting fatigue machine is used which permits to separate both fretting and the fatigue loadings. In this configuration, crack initiation boundary was experimentally built in a fatigue loading – fretting loading, named Fretting Fatigue Map.Experimental results show that the addition and the increase of a fatigue loading involves in a drop of the tangential threshold for crack nucleation compared to fretting loading. As expected, the increase of the fatigue loading induces an increase of the crack velocity after nucleation but induces also an earlier nucleation. Crack initiation and propagation are both influenced by the two loadings. Based on these results, a numerical approach was finally proposed to predict the crack nucleation in fretting fatigue conditions. This criterion considers the maximal principal stress at a “critical distance” and includes a function which is stress gradient dependent.The proposed criterion is finally tested on two industrial applications. Results are very interesting because crack nucleation sites are well localised and values given by the criterion are consistent with experimental observations.

Dans ce travail, une démarche d'analyse en fatigue des structures mécano-soudées industrielles soumises à des environnements mécaniques complexes est proposée. Basée sur une approche multi-échelle et sur le principe de superposition, elle utilise la méthode des éléments finis pour déterminer une carte du dommage de la structure avant de se focaliser sur l'amorçage de fissures. La propagation est traitée en couplant l'approche locale du dommage - le multi amorçage -, avec la prise en compte de la souplesse de la stucture fissurée au moyen d'éléments ressorts et grâce au developpement de Boites à Fissures, utilisées pour le calcul des facteurs d'intensité de contrainte, l'analyse de la bifurcation et de l'ouverture des fissures pour les chargements variables. Tous ces développements ont permis de créer une démarche et un outil permettant de traiter, sans remaillage, de l'amorçage d'une fissure jusqu'à la ruine, et qui ont été mis en oeuvre sur une structure industrielle

L'amélioration des performances spécifiques des alliages métalliques de l'aéronautique est une démarche constante. Les alliages de titane sont des matériaux privilégiés par les constructeurs aéronautiques car ils allient hautes propriétés mécaniques et faible densité.Parmi ces matériaux, les alliages β-métastables qui ont pour particularité de retenir jusqu'à 40% de phase β connaissent un fort regain d'intérêt pour les motoristes (Ti-17) comme pour des applications de structure type trains d'atterrissage (Ti-5553 et Ti-10-2-3). Ce travail a pour but d'analyser le comportement mécanique et la durabilité de ces alliages soumis à des sollicitations monotones et cycliques en lien avec les microstructures.Des essais mécaniques ont pour cela été développés à partir de différentes microstructures métallurgiques qu'elles soient issues d'un traitement industriel ou spécifique visant à simplifier ces dernières. Les mécanismes de déformation (systèmes de glissement) et d'endommagement (amorçage de fissures) ont été identifiés et analysés à différentes échelles par microcopie optique et électronique à balayage en intégrant les notions d'orientation cristallographique (EBSD). Le recours à des essais réalisés in situ sous microscope (optique et MEB) et à une métrologie adaptée aux échelles pertinentes a permis d'identifier les éléments micro-structuraux clés et les cinétiques de développement de ces processus. Un des faits marquants est le rôle majeur de l'anisotropie de propriétés mécaniques de la phase β qui a également fait l'objet de simulations numériques.

This study is part of an original approach based on quantitative imaging techniques, such as Infrared Thermography, to study the damage under fretting loadings. The main objective was the establishment of new experimental method for a rapid determination of crack initiation conditions under fretting loadings, based on the analysis of the thermal signal. One other objective was the determination of the different heat sources in order to assess a local analysis of the fretting damage. This work underlined the great potential of Infrared Thermography to study this damage. / Cette étude s'inscrit dans une approche originale basée sur des techniques d'imagerie quantitatives comme la thermographie infrarouge pour étudier l'endommagement sous chargement de fretting. Le premier objectif était de développer une méthode de construction rapide de carte de fretting basée sur l'analyse du signale thermique au cours d'essais de fretting. Un deuxième objectif était de déterminer les sources de chaleurs accompagnant le fretting pour une meilleure compréhension des mécanismes d'endommagement. Ce travail a souligné le grand potentiel de la thermographie infrarouge pour l'étude de c'est phénomènes.

L’amélioration des performances spécifiques des alliages métalliques de l’aéronautique est une démarche constante. Les alliages de titane sont des matériaux privilégiés par les constructeurs aéronautiques car ils allient hautes propriétés mécaniques et faible densité.Parmi ces matériaux, les alliages β-métastables qui ont pour particularité de retenir jusqu’à 40% de phase β connaissent un fort regain d’intérêt pour les motoristes (Ti-17) comme pour des applications de structure type trains d’atterrissage (Ti-5553 et Ti-10-2-3). Ce travail a pour but d’analyser le comportement mécanique et la durabilité de ces alliages soumis à des sollicitations monotones et cycliques en lien avec les microstructures.Des essais mécaniques ont pour cela été développés à partir de différentes microstructures métallurgiques qu’elles soient issues d’un traitement industriel ou spécifique visant à simplifier ces dernières. Les mécanismes de déformation (systèmes de glissement) et d’endommagement (amorçage de fissures) ont été identifiés et analysés à différentes échelles par microcopie optique et électronique à balayage en intégrant les notions d’orientation cristallographique (EBSD). Le recours à des essais réalisés in situ sous microscope (optique et MEB) et à une métrologie adaptée aux échelles pertinentes a permis d’identifier les éléments micro-structuraux clés et les cinétiques de développement de ces processus. Un des faits marquants est le rôle majeur de l’anisotropie de propriétés mécaniques de la phase β qui a également fait l’objet de simulations numériques. / The improvement of specific performances of metallic materials used for aerospaceapplications needs continuous researches and developments. Titanium alloys are materials ofchoice for aerospace companies thanks to their high mechanical properties and low density.Among them, the β-metastable alloys that retain up to 40% of β phase are more and moreintroduced in aircraft engines (Ti-17) and for structural parts (e.g. landing gears in Ti-5553and Ti-10-2-3).This work aims to analyse the mechanical behaviour and durability of these alloyssubmitted to monotonic or cyclic loadings. Mechanical tests have been developed on differentindustrial microstructures as on academic simplified ones produced by specific thermaltreatments. Deformation mechanisms (slip systems) and damage processes (cracks initiation)were identified and analyzed at different scales using microscopes (optical and SEM) andcrystallographic features were studied by EBSD. Specific in situ tests performed undermicroscopes (optical and SEM) and digital images correlation techniques at scales of interesthave permitted to identify and to quantify the key microstructural parameters and the kineticsof these processes. One major result concerns the influence of the anisotropy of mechanicalproperties associated to the β phase.

L’optimisation du dimensionnement des structures passe par une meilleure connaissance de leur mode d’endommagement. Cette étude se focalise donc sur la caractérisation de l’endommagement du contact aube/disque des moteurs aéronautique. Cet assemblage mécanique est soumis a une combinaison d’un effort normal (force centrifuge) et tangentiel (dynamique de l’aube). La portée du disque en Ti-6Al-4V subi donc un chargement complexe de type fretting fatigue. Ce type de sollicitation entraine, entre autre dégradation, de la fissuration dont la modélisation expérimentale et numérique est rendue difficile par les limitations des moyens et des connaissances actuelles. Le premier objectif de ce travail de thèse est de développer un moyen d’essai et une instrumentation associée afin d’étudier de façon qualitative et quantitative la fissuration d’un contact Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V. Le second but est d’utiliser les données issues de ce moyen expérimental afin de proposer un modèle de prédiction des durées de vie de cet assemblage. Un montage inédit de fretting fatigue double vérin mono-contact a été mis en place avec une instrumentation nouvelle pour ce type d’essai : suivi de fissuration par suivi de potentiel et par émission acoustique. Une attention particulière a été apportée aux calibrations et aux méthodologies expérimentales. Ce banc d’essai permet notamment de simuler des efforts de fretting applique en phase ou alors de telle manière a simuler un vrai cycle de vol. Cet outil a permis de décrire quantitativement les premières courbes de Wohler en fretting à amorçage (Effort de fretting vs Nombre de cycles à amorçage) pour deux configurations de contact (cylindre/plan et plan/plan). Les impacts des différents paramètres de fretting sur l’amorcage ont pu être quantifies. Les paramètres influant sont : la configuration du contact, les niveaux des efforts appliques et leur mode de combinaison (cycles en phase ou cycles de type vol). De plus des courbes de cinétique de propagation des fissures ont pu être extraites des différents essais, montrant un fort impact du fretting sur les vitesses de propagation des fissures. Une analyse qualitative via l’émission acoustique a montré un mécanisme d’amorçage et de propagation en 3 étapes suivant la perte d’influence du contact. Un modèle de prédiction de l’amorçage et de simulation de la propagation des fissures a été mis en place. Bien que limite dans la prise en compte des effets gradients (approches non locales), ce modèle se montre très performant surtout dans sa capacité à utiliser les données expérimentales dans l’identification des lois d’amorçage ou de propagation. Ce travail a donc permis d’importantes avancées dans la compréhension des mécanismes de fissuration et dans leur modélisation ouvrant ainsi la porte vers une prédiction fiable de l’endommagement des contacts aube/disque. / Optimization of structures design requires a better understanding of their damage process. This study focuses on the characterisation of the blade/disk contact damaging process on aircraft engines. That mechanical structure is subjected to a normal load (centrifugal forces) combined with a tangential force (blade dynamic). Thus the Ti-6Al-4V disk seat sees a complex fretting fatigue loading. This type of solicitation can generate a series of degradations like cracking. Experimental and numerical simulation of this damaging is very difficult considering the present state of arts. The first aim of this work is to develop a new experimental set-up with the appropriate instrumentation in order to conduct a qualitative and a quantitative analysis of the cracking in a Ti-6Al-4V/Ti6-Al-4V contact. The second goal is to build a life prediction numerical model that would be able to use the data obtain with the new experimental tests. The new dual-actuator fretting-fatigue set-up is now operational. It allows to run single contact test under different loading combinations: fretting and fatigue loads can be applied in phase or in a way to simulate the real ‘in flight’ conditions. New instrumentations have been added in order to follow the crack initiation and propagation: potential-drop technique and acoustic emission. Thanks to this new test procedure, the first fretting Wöhler curve to crack nucleation have been described (fretting load vs number of cycles to crack nucleation) for two contact geometries (cylinder on flat and flat on flat). The separate influences of fatigue and fretting parameters have been determined. The mains parameters are: the contact characteristics, the stress level and the force combination modes (‘in phase’ cycles or ‘in-flight’ cycles). Moreover, the very first crack propagation kinetics have been drowned. Also, a major influence of the fretting on the crack propagation has been exposed. The qualitative analysis conducted with the acoustic emission has revealed a three steps crack propagation process. The crack propagation process evolves with the decrease of the contact influence. A model has been developed in order to predict crack initiation and propagation lives. Even if the model suffers from a major limitation due to the difficult considerations of the stress gradient effects, it has shown very good results through its ability to directly include experimental data. This work has led to major breakthroughs in the understanding of the cracking mechanisms and their simulation. This forms solid foundations for future predictions of the blade/disk interface durability.

L'optimisation du dimensionnement des structures passe par une meilleure connaissance de leur mode d'endommagement. Cette étude se focalise donc sur la caractérisation de l'endommagement du contact aube/disque des moteurs aéronautique. Cet assemblage mécanique est soumis a une combinaison d'un effort normal (force centrifuge) et tangentiel (dynamique de l'aube). La portée du disque en Ti-6Al-4V subi donc un chargement complexe de type fretting fatigue. Ce type de sollicitation entraine, entre autre dégradation, de la fissuration dont la modélisation expérimentale et numérique est rendue difficile par les limitations des moyens et des connaissances actuelles. Le premier objectif de ce travail de thèse est de développer un moyen d'essai et une instrumentation associée afin d'étudier de façon qualitative et quantitative la fissuration d'un contact Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V. Le second but est d'utiliser les données issues de ce moyen expérimental afin de proposer un modèle de prédiction des durées de vie de cet assemblage. Un montage inédit de fretting fatigue double vérin mono-contact a été mis en place avec une instrumentation nouvelle pour ce type d'essai : suivi de fissuration par suivi de potentiel et par émission acoustique. Une attention particulière a été apportée aux calibrations et aux méthodologies expérimentales. Ce banc d'essai permet notamment de simuler des efforts de fretting applique en phase ou alors de telle manière a simuler un vrai cycle de vol. Cet outil a permis de décrire quantitativement les premières courbes de Wohler en fretting à amorçage (Effort de fretting vs Nombre de cycles à amorçage) pour deux configurations de contact (cylindre/plan et plan/plan). Les impacts des différents paramètres de fretting sur l'amorcage ont pu être quantifies. Les paramètres influant sont : la configuration du contact, les niveaux des efforts appliques et leur mode de combinaison (cycles en phase ou cycles de type vol). De plus des courbes de cinétique de propagation des fissures ont pu être extraites des différents essais, montrant un fort impact du fretting sur les vitesses de propagation des fissures. Une analyse qualitative via l'émission acoustique a montré un mécanisme d'amorçage et de propagation en 3 étapes suivant la perte d'influence du contact. Un modèle de prédiction de l'amorçage et de simulation de la propagation des fissures a été mis en place. Bien que limite dans la prise en compte des effets gradients (approches non locales), ce modèle se montre très performant surtout dans sa capacité à utiliser les données expérimentales dans l'identification des lois d'amorçage ou de propagation. Ce travail a donc permis d'importantes avancées dans la compréhension des mécanismes de fissuration et dans leur modélisation ouvrant ainsi la porte vers une prédiction fiable de l'endommagement des contacts aube/disque.