Le 32CrMoV13 nitruré est un matériau à gradient de propriétés utilisé pour la réalisation de bagues de roulements aéronautiques. Il présente l’avantage d’être dur en surface et ductile à cœur, facilitant ainsi la lutte contre les effets de la pollution des contacts par les lubrifiants. De plus, afin d’améliorer les performances des roulements, la tendance est à l’utilisation de céramique (nitrure de silicium Si3N4) pour les éléments roulants à la place de l’acier (M50). Ainsi, le travail de thèse proposé ici est l’étude du comportement en fatigue de contact en présence d’indentations pour deux couples de matériaux (32CrMoV13 nitruré / M50 et 32CrMoV13 nitruré / Si3N4). Ce comportement est principalement orienté en terme de durée de vie du contact indenté par l’intermédiaire d’un critère d’amorçage de fissures. Une étude des propriétés mécaniques du 32CrMoV13 nitruré, nécessaires à l’application du critère, a été réalisée. La loi d’écrouissage et l’ouverture micro-plastique cyclique de la couche nitrurée du 32CrMoV13 nitruré ont été identifiées. Puis, par l’intermédiaire de défauts géométrique de type trous cylindriques, les propriétés d’amorçage de fissures ont été étudiées lors d’essais de compression uniaxiale. Le comportement en fatigue de contact en présence d’indentations a été étudié sur machine bi-disques. Ces essais ont permis de caractériser la différence de comportement du 32CrMoV13 nitruré, et indenté, dans un contact acier / acier et acier / céramique. L’effet du glissement a notamment été mis en évidence. Ces études expérimentales ont été couplées avec des simulations numériques afin d’étalonner le modèle physique d’amorçage de fissures et d’en valider sa bonne représentativité. En conclusion un modèle de prédiction de durée de vie en fatigue de roulement a été proposé. Il est particulièrement adapté aux cas où des contraintes résiduelles sont présentes, par exemple suite à l’indentation des surfaces. Le modèle s’appuie sur la caractérisation mécanique des couches traitées thermo-chimiquement de l’acier 32CrMoV13 nitruré. / The nitrided 32CrMoV13 steel is a gradient properties material used for the production of aeronautical bearing rings. The principal advantages are its surface hardness and core ductility, useful against debris denting. Moreover, to improve rolling bearing performances, ceramic balls (silicon nitride Si3N4) instead of steel (M50). The present study aims to investigate the contact fatigue performance in presence of indentation for two pairs of materials (nitrided 32CrMoV13 steel / M50 and nitrided 32CrMoV13 steel / Si3N4). This performance is mainly oriented in terms of lifetime of the indented contact by a crack initiation criterion. A study of the mechanicals properties of the nitrided 32CrMoV13 steel, required for the application of the criterion, is then performed. It allows to characterize the hardening law and the cyclic micro-plastic behavior of the nitrided layer of the nitrided 32CrMoV13 steel. Crack initiation properties of the nitrided surface layer have been evaluated by compression tests on thin hollow cylindrical specimens with small cylindrical holes. The contact fatigue behavior in presence of indentations was studied on a high-speed twin-disks machine. These tests allowed to characterize the difference in behavior of nitrided 32CrMoV13 steel (indented) in a steel-to-steel contact or steel-to-ceramic contact. The major effect of sliding has been highlighted. All these experimental studies were coupled with numerical simulations to calibrate the physical model of crack initiation and to show its capabilities. In conclusion a new model of rolling contact fatigue life has been proposed. It is specifically adapted to operation in presence of residual stresses such as resulting from debris denting. The model uses mechanical properties that have been identified for thermo-chemically treated layers of nitrided 32CrMoV13 steel.

High rolling contact fatigue parts are vital for the long service life of fuel pumps. Cummins Fuel Systems are currently using an M2 tool steel for one of the most important roller bearing application in their pumps, namely the cam follower. The future design of the cam follower is a pin-less tappet roller. The wear and fatigue properties of the roller is vital to ensure reliability of the fuel system. M2 tool steel is an expensive material and becomes even more so if diamond like coating (DLC) is needed to decrease the friction coefficients. To cut costs of the fuel pump it might be possible to replace the M2 tool steel with 52100 steel (100Cr6). Competitive methods have proven that carbonitrided 52100 can reach excellent wear and fatigue properties making it a candidate to replace M2 tool steel. How the properties of hardness, toughness and compressive residual stresses are developed in 52100 and how they affect the fatigue and wear resistance has been researched from the literature. A big part of this project was to do an extensive analysis of a roller bearing that was believed to have gone through one of these competitive methods that produce excellent wear and fatigue resistance. The analysis was done with background to the knowledge gathered from the literature. Finally process trials were set up to carbonitride 52100 steel samples. The trials were done to develop a better understanding of how adding carbon together with nitrogen to the surface of 52100 steel will influence the metallurgical parameters that results in good wear and fatigue resistance. From this analysis Cummins hope to create a process recipe that can be used for carbonitriding the cam follower and maybe other components in their fuel systems.

Les enjeux environnementaux actuels, ainsi que la hausse continue du prix du pétrole, ont incité les constructeurs automobiles du monde entier à améliorer le rendement de leurs véhicules. Les propriétés tribologiques des lubrifiants des moteurs et boîtes de vitesses ont une influence considérable sur le rendement global des véhicules. Ils réduisent en effet le frottement généré par un grand nombre de contacts, et permettent parfois la réduction de la taille de différents composants en leur conférant une meilleure résistance à l’usure. Les avancées récentes en termes de synthèse de nanoparticules ont ouvert de nouvelles perspectives en termes d’additivation de lubrifiants avec, par exemple, la découverte des excellentes propriétés tribologiques des nanoparticules inorganiques de type fullerène comme le disulfure de molybdène ou de tungstène. L’objectif de ce manuscrit est d’évaluer le potentiel tribologique des nanoparticules IF-MoS2 dans l’optique d’une application automobile. L’influence de la taille et de la structure des nanoparticules a d’abord été étudiée. Les nanoparticules peu cristallines se sont révélées être plus aptes à maintenir un tribofilm performant sur des surfaces en acier dans des conditions de lubrification limite, indépendamment de leur taille. Toutes les nanoparticules testées ont cependant atteint des performances équivalentes lorsqu’une recirculation de l’huile était imposée, permettant de maintenir une alimentation continue du contact en nanoparticules. Une fois incorporées dans une formulation d’huile complète, les nanoparticules IF-MoS2 perdent leurs propriétés tribologiques. Les dispersants contenus dans l’huile, bien que permettant une bonne dispersion des IF-MoS2, semblent responsables de leur inefficacité en empêchant la formation de tribofilms sur les surfaces antagonistes. Une fois correctement dispersées, les nanoparticules pénètrent toujours le contact et se retrouvent bien exfoliées. Une adsorption excessive des dispersants sur les feuillets de MoS2 ainsi libérés et/ou sur les surfaces en acier semble nuire à l’adhésion du tribofilm. Un équilibre entre dispersion des nanoparticules et performance tribologique a ensuite été trouvé, en utilisant de très faibles concentrations de dispersants. Le comportement des huiles dopées en nanoparticules dans des conditions plus proches d’une application automobile a finalement été exploré. Les IF-MoS2 ont permis une réduction significative du frottement et de l’usure à température ambiante et en roulement/glissement, à la fois pour des surfaces lisses et rugueuses. Les risques associés à la présence de nanoparticules dans l’huile dans les régimes de lubrification en film complet ont été partiellement levés. Aucun impact significatif n’a en effet été constaté sur le coefficient de frottement pour l’ensemble des conditions d’essais retenues. Le potentiel des nanoparticules IF-MoS2 pour la protection des surfaces soumises à la fatigue de contact a enfin été démontré. / The growing environmental concerns, along with the continuous increase in the price of fossil fuels, have highly motivated car manufacturers worldwide to improve the efficiency of their vehicles. The tribological properties of engine and gearbox lubricants have a significant impact on the global efficiency of vehicles, as they contribute to reducing friction in many contacts and allow the downsizing of various components by providing their surfaces with anti-wear protection. The recent breakthroughs in nanoparticle synthesis have opened new prospects in terms of lubricant additivation, with the discovery of the excellent friction and wear reducing properties of nanoparticles such as Inorganic Fullerene-like (IF-) molybdenum or tungsten disulfides. The tribological potential of IF-MoS2 for automobile applications was investigated in this work. The respective influences of nanoparticle size and structure were first of all studied, revealing that poorly crystalline nanoparticles were more efficient in maintaining low-friction tribofilms on steel substrates in severe boundary lubrication regimes regardless of size (for the range studied). All the nanoparticles tested however showed similar performances when proper oil recirculation was ensured, providing a continuous feeding of the contact in nanoparticles. The IF-MoS2 nanoparticles lost their lubricating abilities when added to fully-formulated lubricants. This behavior was attributed to the presence of dispersants in the oil, which dispersed the nanoparticles effectively but prevented them from forming tribofilms on the rubbing surfaces. The well-dispersed IF-MoS2 were shown to enter the contact and exfoliate, but an excessive adsorption of the dispersants on the released MoS2 platelets and/or the steel surfaces is thought to prevent tribofilm adhesion. A balance between nanoparticle dispersion and tribological performance was then found, by using very low concentrations of dispersants. The behavior of nanoparticle-doped oils in various scenarios related to automobile applications was finally explored. The IF-MoS2 provided significant friction and wear reduction at ambient temperature and in milder rolling/sliding test conditions, for smooth and rough surfaces. The risks related to the presence of nanoparticles in the oil in full-film lubrication regimes were partially lifted, with no significant influence on friction witnessed for all the test conditions considered. The ability of IF-MoS2 nanoparticles to protect steel surfaces from surface-initiated Rolling Contact Fatigue was finally shown.

Malgré les innovations technologiques, les éoliennes restent sujettes à des défaillances prématurées de composants mécaniques imposants, ayant des conséquences considérables sur le coût de l’énergie. Parmi les défaillances majeures au sein des roulements d’éoliennes, un mode de fatigue de contact atypique se caractérise par de vastes réseaux de fissures ramifiées avec des phases microstructurales adjacentes d’apparence blanche à l’origine de la dénomination White Etching Cracks (WEC). Contrairement à la fatigue de contact classique, les WEC apparaissent pour un nombre de cycles et des charges relativement faibles, menant à une défaillance du composant imprévisible selon les modèles de durée de vie actuels. Les WEC ont été observés chez tous les roulementiers, dans diverses applications industrielles et pour différents types de roulements, éléments, lubrifiants, aciers et traitements thermiques. Ce manque de dénominateur commun rend les WEC difficilement reproductibles sur bancs d’essai sans chargement artificiel en hydrogène de l’acier. Ainsi, pour le moment, la formation des WEC ne fait pas l’objet d’un consensus. Une analyse des reproductions de WEC a été menée afin d’en comprendre les mécanismes tribologiques. Des protocoles expérimentaux ont été établis pour révéler les WEC, souvent situés à des positions inhabituelles par rapport au contact. Leur reproduction sur des roulements standards, chargés ou non en hydrogène, a permis de démontrer que le chargement artificiel en hydrogène, jusque-là couramment employé pour étudier la défaillance, reproduit des faciès identiques mais semble modifier l’initiation des WEC. Ainsi, des reproductions de WEC sans chargement en hydrogène et dans des configurations différentes ont été comparées afin d’appréhender les phénomènes tribologiques à l’origine des WEC. Les résultats suggèrent que l’initiation est principalement déclenchée par des phénomènes de surfaces avec l’absorption tribochimique d’hydrogène au niveau des surfaces métalliques fraîches sur la piste de roulement ou au niveau des flancs de microfissures superficielles. La propagation est ensuite assistée chimiquement par l’hydrogène concentré en pointe de fissure. Un arbre des causes étendu révèle que les WEC peuvent être associées à de multiples combinaisons de conditions opératoires qui semblent cependant conduire à des paramètres tribologiques similaires à l’échelle du contact avec, notamment, des cinématiques de glissement, des formulations de lubrifiants spécifiques et des paramètres tribochimiques catalyseurs comme la présence d’eau et/ou d’électricité. Une vaste campagne d’essai a alors été conduite sur un tribomètre bi-disques afin de simuler la fatigue de contact. Les résultats confirment que les facteurs influents identifiés ne sont pas pour autant auto-suffisants. La formation des WEC repose sur un équilibre instable entre aspects matériaux, mécaniques et tribochimiques, à maîtriser pour concevoir des solutions industrielles. / Despite constant expansion and engineering progress, wind turbines still present unexpected failures of heavy duty mechanical components drastically affecting the cost of energy. Among the most prevalent tribological failures in wind turbine rolling element bearings, a peculiar rolling contact fatigue mode has been associated to broad subsurface three-dimensional branching crack networks bordered by white etching microstructure, and thus named White Etching Cracks (WEC). Compared to conventional microstructural alterations, WECs tend to develop at moderate loads and cycles eventually leading to premature failures that remain unpredictable using fatigue life estimations. Far from being generic to specific manufacturers, WECs occur in various industrial applications, for various bearing types, components, lubricants, steels grades and heat treatments. As WEC occurrences present no common evident denominator, they remain delicate to reproduce on laboratory test rigs without prior artificial hydrogen charging, so that no consensus on WEC formation mechanisms have been confirmed yet. In this study, a thorough tribological analysis of WEC formation mechanisms has been led. Expertise protocols have been established to best reveal and observe WECs that commonly develop at unconventional locations versus the contact area. First analysis of WEC reproductions on standard rolling element bearings either hydrogen precharged or kept neutral have signified that artificial hydrogen charging, commonly employed to apprehend the failure mode, results in similar WEC morphologies but tends to alter WEC tribological initiation. In consequence, WEC reproductions in remarkably different configurations but without hydrogen charging have been compared in order to propose a better understanding of WEC surface-affected formation mechanisms: first, initiation via tribochemical hydrogen permeation at nascent steel surfaces formed either directly at the raceway or at surface microcracks flanks and second, propagation by local hydrogen embrittlement at crack tips function of the stress state. An extensive root cause analysis have then been led suggesting that WEC may be associated to various combinations of macroscopic operating conditions that often interact and come down to similar tribological parameters including high sliding energy thresholds, specific lubricant formulations and tribochemical drivers such as water contamination and/or electrical potentials. Further investigations on a minimalist twin-disc fatigue tribometer have provided additional evidence that WEC influent drivers are non-self-sufficient, supporting that WEC formation mechanisms rely on a subtle equilibrium between tribo-material, tribo-mechanical and tribo-chemical drivers that all should be mastered to design efficient and durable countermeasures.

La tenue des surfaces des contacts rugueux roulants est un problème crucial l’évaluation de la durée de vie des mécanismes. Cette durée de vie est conditionnée dès les premiers cycles par le rodage puis par les mécanismes de fatigue des surfaces. Le rodage est défini par le temps nécessaire à l’accommodation géométrique des surfaces rugueuses entre elles, à l’interface du contact. La charge transmise sur une faible aire de contact par rapport à l’aire apparente, crée des pressions importantes qui induisent de fortes contraintes en couche superficielle et des déformations plastiques de la microgéométrie. Cette plastification a lieu dans les tous premiers cycles puis la surface se stabilise, c’est le rodage. La répétition cyclique des sollicitations au cours du fonctionnement conduit enfin à l’endommagement du matériau et des avaries en surface telles que des micro-écailles. Après une étude bibliographique sur le contact roulant rugueux et les dispositifs expérimentaux existants, la difficulté de ce type d’analyse est mise en évidence. Elle consiste à effectuer un suivi en continu de l’évolution de l’état de surface du contact à une échelle suffisamment fine et précise. Une micromachine bi-disque a été développée afin de réaliser ce suivi quasi "in-situ" à l’échelle des rugosités permettant d’identifier les mécanismes de rodage et de dégradation. Un protocole expérimental précis permet de mesurer les surfaces antagonistes dans les premiers cycles correspondant au rodage. Les surfaces vierges mesurées sont utilisées comme paramètre d’entrée d’une simulation numérique du contact rugueux d’une sphère sur un plan. La déformée de surface numériquement obtenue à l’état stabilisé est comparée à celle mesurée expérimentalement à la fin du rodage. La très bonne superposition de ces résultats permet de valider cette méthode et les résultats numériques tels que les contraintes résiduelles et déformations plastiques. Les surfaces à l’état stabilisé obtenues, sont exploitées à travers différents critères de fatigue multiaxiaux. Les résultats numériques sont également comparés aux observations expérimentales pour déterminer le critère le plus adapté à cette analyse et permettant d’expliquer la formation de fissures et d’avaries de surfaces. / The surface life of rolling rough contacts is an important problem in the evaluation of the life expectancy of a machine. This life span is conditioned by the first cycles of the running-in process and then by the surface fatigue. The running-in period is defined by the time necessary for the rough surfaces to accommodate. The real area of contact is small compared with the apparent area, hence the load creates important pressures which lead to important stresses in the superficial layer and to plastic deformation of the microgeometry. The plastic deformation takes place over the first cycles then the surface stabilizes, this is the end of running-in process. The repeated cyclic loading finally leads to material damage below the surface and to surface micropitting. After a bibliographical study on the rough rolling contact and the existing experimental test machines, the difficulty of analysing the roughness evolution is pointed out. It requires a precise, continuous monitoring of the contact surface evolution on a small enough scale. A two-disk micro-machine was developed to perform this almost "in situ" monitoring at the roughnesses scale, allowing one to identify the mechanisms of running-in and surface degradation. An accurate experimental protocol allows one to measure the opposing surfaces in the first cycles corresponding to the running-in period. The initial surfaces are used as entrance parameters for a numerical simulation of the rough contact of a sphere on a plane. The deformed surface numerically obtained in the stabilized state is compared with the measured one at the end of the running-in period. The very good agreement between these results allows one to validate this method and the numerical results such as the residual stresses and the plastic deformation. Different multiaxial fatigue criteria are applied to the numerical results obtained in the stabilized state. The results are compared to the experimental observations to determine the criterion that is the most suited for this analysis and allows one to explain the crack formation and surfaces damage.

Ce travail est consacré à l’étude de la fatigue des roulements hybrides (Si3N4 / M50 Duplex) soumis à des sollicitations extrêmes. Dans un premier temps, nous avons étudié le comportement expérimental du M50 trempé et du M50 Duplex sollicités en fatigue de roulement en présence d’indentation artificielle, dans le cas d’un contact hybride. Nous avons alors pu mettre en évidence le rôle prépondérant du glissement et nous avons pu caractériser et localiser l’endommagement relatif à ces conditions extrêmes. Aussi deux études portant sur la fissuration des éléments M50 Duplex, fissures radiales en bord d’indent, et sur la fissuration des éléments céramique Si3N4, sous forme de C-Cracks, ont été réalisées et ont permis d’évaluer la résistance de ces matériaux en sollicitation aggravée. Dans une seconde étape, nous avons mis au point une méthode d’évaluation du gradient de plasticité par mesure de la micro-dureté qui nous a permis de caractériser le M50 Duplex dans la zone de diffusion de la nitruration. Le processus d’indentation a alors été simulé par le logiciel éléments finis ABAQUS. Ces simulations ont permis d’analyser les mécanismes responsables de la fissuration des indents sur M50 Duplex. Enfin une étude numérique tridimensionnelle du roulement sur indent a été réalisée via le code semi-analytique ISAAC, développé au laboratoire LAMCOS de l’INSA de Lyon. Cette étude a permis d’évaluer le cycle de chargement au voisinage d’indents sollicités en fatigue de roulement. L’application du critère de Dang Van à ce cycle de sollicitation a alors permis de donner des indications quant à la prédiction de l’endommagement au voisinage d’indents. / This study focuses on the hybrid bearings fatigue (Si3N4 / Duplex M50) which are submitted to extreme stresses. Firstly, we studied the rolling contact fatigue of artificially dented rollers made of through-hardened M50 and Duplex M50, in the case of hybrid contact. We have been consequently able to highlight the prominent role of the sliding. We also characterized and located the damage due to the extreme conditions. What is more, two studies have been led: one about the cracking damage of Duplex M50 rollers, especially radial cracks on dent edges, the other about the cracking damage of silicon nitride rollers, especially C-shaped cracks. These studies allowed to assess the material strength in conditions of severized stresses. Secondly, we developed an assessment method of the plastic gradient through micro-hardness measurings. This process allowed us to characterize the Duplex M50 in the diffusion layer formed during nitriding. The denting process was then simulated using the ABAQUS finite element software. The simulations made it possible to analyze the mechanisms responsible for the cracking of dents made on Duplex M50. Eventually, a tridimensional numerical study focusing on dent over-rolling has been led using the ISAAC semi-analytical code, computed at the LAMCOS laboratory of INSA-Lyon (Lyon, FRANCE). This study made it possible to evaluate the loading path in the vicinity of dents submitted to RCF. The use of Dang Van criterion then allowed to give indications about damage prediction in the vicinity of dents.

Le roulement est un élément essentiel dans la conception des machines tournantes. À l'échelle industrielle, sa défaillance peut avoir de coûteuses conséquences. La maintenance prédictive sert à minimiser les coûts d'entretien et à prévenir de l'état de fatigue du composant mécanique. Dans ce cadre, nous proposons une étude de l'endommagement par fatigue de contact de roulement appliquée au cas des butées à billes. Cette étude se structure en deux axes : numérique et expérimental. Le premier consiste à établir une modélisation numérique tridimensionnelle dynamique du passage cyclique d'une bille sur une bande de roulement en présence d'un indent, en utilisant la méthode des éléments finis. L'estimation de l'évolution de la taille d'un défaut d'écaillage initié en surface en fonction des cycles de chargement est effectuée. Ces résultats sont en adéquation avec les essais en laboratoire effectués dans les mêmes conditions à l'aide d'un banc d'essais de fatigue dédié aux butées à billes. Le deuxième axe consiste à déterminer un indicateur vibratoire utilisant l'analyse modale et permettant d'estimer le niveau d'endommagement de la butée à billes in situ en présence d'indent. La technique développée dans ces travaux permet de suivre l'évolution des valeurs de l'amortissement modal en fonction des cycles de vie, évolution déterminée à partir des essais en modes statique et dynamique. Cette étude contribuera à l'estimation de la durée de vie résiduelle du composant mécanique après apparition d'un écaillage en surface, en utilisant la méthode des éléments finis et en prenant compte de l'état d'endommagement de la structure. / The bearing is an essential element in the design of rotating machines. In an industrial context, bearing failure can have extremely costly consequences. Predictive maintenance minimizes the intervention costs and warns about the state of fatigue of the mechanical component. In this frame, we propose a study of the rolling contact fatigue damage applied to thrust ball bearings. This study is twofold: numerical and experimental. The first axis consists in establishing a dynamic three-dimensional numerical model of the cyclic shift of a ball on a running surface in the presence of an indent, using the finite element method. An estimation of the size evolution of a surface initiated spall depending on loading cycles is also performed. These results are consistent with laboratory tests executed in the same conditions using a fatigue test rig dedicated to ball bearings. The second axis consists in determining a vibratory indicator using modal analysis to estimate the on-line structural damage level of the ball bearing in the presence of an indent. The technique developed in this work enables monitoring the evolution of the modal damping values based on the life cycles determined from tests in static and dynamic modes. This study will contribute to estimate the residual life of the mechanical component after onset of a spall using the finite element method and accounting for the structural damage state.

Les rails de Chemins de fer sont soumis à de la fatigue de roulement due au passage répété des roues de train, ce qui induit différents types de fissures, telles que les Squats. Ces fissures sont soumises à un chargement de mode mixte non-proportionnel I + II + III, dans des proportions variables le long du front, avec des phases de compression, ce qui rend la prédiction de leur trajet et de leur vitesse délicate.La cinétique de fissuration en mode I a été déterminée dans de l’acier à rail R260, pour des rapports R positifs et négatifs, ainsi que la cinétique de mode mixte II & III corrigée des effets de frottement. Les Facteurs d’Intensité des Contraintes (FICs) effectifs ont été obtenus à partir des sauts de déplacements dans le plan et hors plan mesurés en surface, le long de la fissure. De ces lois cinétiques, il ressort que ni le mode I seul, ni les modes de cisaillement seuls ne peuvent expliquer la fissuration des rails. C’est donc la combinaison des trois modes, suivant des trajets de chargement complexes, qui en est responsable.Des essais de fissuration par fatigue en mode mixte non-proportionnel I + II ont ensuite été réalisés, suivant des trajets de chargement représentatifs de ceux subis par les squats. La stéréo corrélation d’images a été utilisée pour obtenir les champs de déplacements en pointe de fissure. Les méthodes classiques de mesure des FICs à partir de champs de déplacements n’étant pas adaptées, du fait des efforts de contact et frottement entre les lèvres de fissure, de nouvelles méthodes ont été développées. Les trajets et vitesses de fissuration ont été étudiés au regard de ces FICs effectifs. Il apparait que la prédiction du trajet à partir du critère de la contrainte tangentielle maximale n’est pas très fiable, mais peut être améliorée par la prise en compte de la plasticité en pointe de fissure ainsi que des efforts de contact/frottement entre les lèvres de fissure. Les vitesses de propagation obtenues se corrélèrent bien avec une combinaison des trois FICs effectifs dans une loi de type « Paris ».De ces essais, il ressort que du fait de la rugosité de la fissure, l’enchevêtrement d’aspérités et le frottement réduisent considérablement les FICs effectifs. Et cela même en l’absence de compression normale, ce qui ne peut être modélisé par une simple loi de Coulomb. De plus, l’usure des lèvres de fissure a aussi une forte influence sur les FICs effectifs. Le challenge pour les applications structurelles est donc non seulement de choisir le critère de bifurcation et la loi cinétique les plus appropriés, mais également de prendre en compte la rugosité et l’usure des lèvres de fissure, afin d’estimer correctement les FICs effectifs à utiliser dans ces modèles.Pour les applications industrielles, une approche d’ingénieur, simplifiée, a été proposée afin de prendre en compte le frottement induit par la rugosité dans l’estimation des trajets de chargements effectifs à partir des trajets nominaux. Cette approche a été validée sur des essais de mode mixte séquentiel I + II & III. / Rails are submitted to Rolling Contact Fatigue due to repeated passages of train wheels, which induces several types of cracks, such as Squat-type cracks. Those cracks undergo non-proportional mixed-mode I + II + III loading, including compression phases, in variable proportions along the crack front, making the prediction of their paths and growth rates a challenge.Mode I crack growth kinetics, for positive and negative R ratios, were first determined in R260 steel, as well as friction-corrected crack growth kinetics for fully-reversed combined mode II and III. The effective Stress Intensity Factors (SIFs) were deduced from the measured in-plane and out-of-plane crack face sliding displacements. From those kinetic laws, it was deduced that neither pure mode I, nor pure shear mode loadings can explain the crack growth rates observed in rails. A combination of those three loading modes, according to complex loading paths had thus to be prospected.Non-proportional mixed-mode I + II fatigue crack growth tests were then performed, following representative loading paths. Stereo digital image correlation was used to measure the near-tip displacement field. Post-treatment methods generally used to deduce the effective SIFs from these fields were inappropriate because of contact and friction stresses along the crack face. New methods were thus developed. The crack paths and growth rates were analyzed, using the effective SIFs. Crack path prediction by the maximum tangential stress criterion was found not to be very reliable, but substantially improved when crack tip plasticity and the presence of contact and friction stresses along the crack faces were taken into account. The measured crack growth rates correlated well with a combination of the three effective SIFs in a Paris-type law.From these experiments, it appears that due to crack face roughness, asperities interlocking and friction substantially reduce the effective SIFs, even without any normal compression, which cannot be captured by a simple Coulomb’s law. Besides, crack faces wear also has a large influence on the effective SIFs. The challenge for structural applications is thus not only to choose the most appropriate bifurcation criterion and crack growth law, but also to take crack face roughness and wear into account, in order to estimate the correct effective SIFS to use in these models.For industrial applications, a simple engineering approach was proposed to integrate roughness-induced friction in the estimation of the effective loading path from the nominal one. This approach was validated on sequential mixed-mode I + II & III experiments.

The increasing demands for lightweight designs with high strength call for improved manufacturing processes regarding heat treatment of steel. The manufacturing process has considerable potential to improve the mechanical performance and to obtain more reliable results with less variation. The goal of this thesis is to establish new knowledge regarding improved manufacturing processes in industrial heat treatment applications. Three research questions with associated hypotheses are formulated. Process experiments, evaluation of the mechanical performance, and modelling of the fatigue behaviour assist in answering the questions. The gas quenching procedure following low-pressure carburising differs from the conventional procedure of gas carburising and oil quenching. It is shown that the introduction of a holding time during the low-temperature part of the quench has a positive effect on mechanical properties, with some 20 percent increase in fatigue strength. This is attributed to increased compressive surface residual stress and stabilisation of austenite. Tempering is a common manufacturing process step following hardening in order to increase the toughness of the steel. However, the research shows that the higher hardness from eliminating tempering from the manufacturing process is beneficial for contact fatigue resistance. The untempered steel showed not only less contact fatigue damage but also a different contact fatigue mechanism. Straightening of elongated components is made after heat treatment in order to compensate for distortions. The research shows that straightening of induction hardened shafts may lead to lowering of the fatigue strength of up to 20 percent. A fracture mechanics based model is developed to estimate the effects of straightening on fatigue strength. / Ökande krav på höghållfasta lättviktskonstruktioner kräver förbättrade tillverkningsprocesser för värmebehandling av stål. Det finns stor potential att förbättra mekanisk prestanda och att erhålla mer tillförlitliga resultat med mindre variation genom att förbättra tillverkningsprocessen. Målet med denna avhandling är att etablera ny kunskap kring tillverkningsprocesser inom industriella värmebehandlingsapplikationer. Tre forskningsfrågor med tillhörande hypoteser formuleras. Processexperiment, utvärdering av mekanisk hållfasthet och modellering av utmattningsbeteende bygger upp besvarandet av frågorna. Gaskylning som följer lågtrycksuppkolning skiljer sig från det konventionella förfarandet med gasuppkolning och släckning i olja. Resultaten visar att en hålltid i den nedre delen av kylningsförloppet har positiv inverkan på utmattningshållfastheten. Orsaken till förbättringen hänförs till ökade tryckrestspänningar samt stabilisering av austenit. Anlöpning är en vanlig tillverkningsprocess som efterföljer härdning för att öka stålets seghet. Forskningen visar däremot att den högre hårdheten för oanlöpt stål är fördelaktig för motstånd mot kontaktutmattning. Oanlöpt stål visade mindre mängd kontaktutmattningsskador och även en annan skademekanism. Riktning av långa komponenter görs efter värmebehandling för att kompensera för de formförändringar som uppstår. Forskningen visar att riktning av induktionshärdade axlar kan leda till sänkning av utmattningshållfastheten med upp till 20 procent. En brottmekanisk modell som uppskattar effekten av riktning på utmattningshållfasthet presenteras. / <p>QC 20150410</p>

Obtaining an enhanced lifespan for mechanical transmissions has become a challenge in diverse application sectors. Micropitting as a contact fatigue mechanism has seriously jeopardized the well-being of rolling-sliding elements present for instance in gearboxes. Additivation through copper nanoadditives has demonstrated promising results in preventing contact fatigue. There is a need to assess the influence of copper nanoadditives on micropitting and mild wear before contemplating employing them in real transmission gearboxes. Consequently, this research work aims to acquire knowledge of the tribological behavior of rolling-sliding contacts additivated with a copper nanoadditive, emphasizing the influence of two different copper nanoadditive concentrations (0.3% and 3%) on wear and micropitting as failure mechanisms. Tests were performed using a micropitting test rig. Micropitting and wear were analyzed at different slide-to-roll ratios (1%, 5%, and 30%), different load conditions (1.5 GPa and 2.5 GPa), and different temperatures (60 °C and 100 °C), for all versions of the studied lubricant. There was no change in friction behavior between the versions of the oil additivated with the copper nanoadditive and its original version. Furthermore, it was found a reduction of micropitting for the 3% version of the studied oil in some operating conditions, and a reduction of the average wear volume for this same concentration in all studied operating conditions. On the other hand, it was found that the 0.3% version of the studied oil promoted wear with an increasing slide-to-roll ratio when compared with the original version of the studied oil. A higher reduction in wear was obtained for the 0.3% version of the studied oil with an increasing temperature when compared with the 3% version. These results indicate that copper nanoadditives exhibit the potential to reduce micropitting in non-conformal rolling-sliding contacts typically found in gears and rolling-element bearings.