This dissertation aims to study the benefit of rail grinding on service life of railroad rails, focusing on failures due to rolling contact fatigue (RCF) at the rail head. Assuming a tangent rail with one-point contact at the running surface, a finite element analysis of a full-scale wheel-rail rolling contact with a nonlinear isotropic kinematic hardening material model is performed to simulate the accumulation of residual stresses and strains in the rail head. Using rolling stress and strain results from the sixth loading cycle, in which residual stresses and strains are at their steady-state, as input, two critical plane fatigue criteria are proposed for fatigue analyses. The first fatigue criterion is the stress-based approach—namely the Findley fatigue criterion. It suggests an important role of tensile residual stresses on subsurface crack nucleation and early growth in the rail head, but applications of the criterion to the near-running-surface region are limited because of plastic deformation from wheel-rail contact. The second fatigue criterion is the strain-based approach—namely the Fatemi-Socie fatigue criterion. Contributed mainly from shear strain amplitudes and factorized by normal stress components, the criterion also predicts fatigue crack nucleation at the subsurface as a possible failure mode as well as fatigue crack nucleation at the near-surface, while maintaining its validity in both regions. A collection of fatigue test data of various types of rail steel from literature is analyzed to determine a relationship between fatigue damages and number of cycles to failure. Considering a set of wheel loads with their corresponding number of rolling passage as a loading unit (LU), optimizations of grinding schedules with genetic algorithm (GA) show that fatigue life of rail increases by varying amount when compared against that from the no-grinding case. Results show that the proposed grinding schedules, optimized with the exploratory and local-search genetic algorithms, can increase fatigue life of rail by 240 percent. The optimization framework is designed to be able to determine a set of optimal grinding schedules for different types of rail steel and different contact configurations, i.e. two-point contact occurred when cornering.

La nitruration gazeuse est un traitement thermochimique permettant une meilleure résistance à la fatigue grâce à l’apport de propriétés mécaniques importantes telles que l’augmentation de la dureté et les contraintes résiduelles de compressions. Cette étude est réalisée sur un acier 33CrMoV12-9 utilisé dans l’industrie aéronautique. Un modèle complet adapté à cette nuance permet de quantifier les profils de contraintes résiduelles et de dureté en fonction des paramètres de nitruration. La prise en compte de l’apport de ces propriétés mécaniques est possible grâce à l’utilisation de critère de fatigue de type Crossland. Ce type de critère est intégré dans une méthodologie, afin de calculer la limite en fatigue dans une couche nitrurée et prédire la résistance de la pièce, ainsi que la potentielle zone d’initiation de rupture en fonction d’un chargement, d’une durée de vie et d’une probabilité à rupture donnés. L’utilisation combinée du modèle de calcul des propriétés mécaniques (dureté et contraintes résiduelles) et de la prédiction de l’initiation de rupture dans un matériau nitruré, rend possible une méthode inverse permettant de calculer les paramètres de nitruration adaptés à un chargement subi. Cette approche se justifie dans le cas de nitruration gazeuse, car il a été démontré lors de cette étude, que ce traitement reste robuste face au chargement subi par la pièce. / Gaseous nitriding is a thermochemical treatment that improves fatigue strength by providing important mechanical properties such as increased hardness and residual compressive stresses. This study is carried out on a 33CrMoV12-9 steel used in the aeronautical industry. A complete model adapted to this grade allows to quantify the residual stress and hardness profiles as a function of the nitriding parameters. Taking into account the contribution of these mechanical properties is possible thanks to the use of fatigue criterion such as Crossland. This type of criterion is integrated in a methodology in order to calculate the fatigue limit in a nitrided layer and to predict the resistance of the workpiece, as well as the potential initiation zone of rupture according to a load, a lifetime And a given break probability. The combination of the model for the calculation of mechanical properties (hardness and residual stresses) and the prediction of the initiation of rupture in a nitrided material, makes possible an inverse method allowing to calculate the nitriding parameters adapted to a load suffered. This approach is justified in the case of gaseous nitriding because it has been demonstrated in this study that this treatment remains robust against the loading undergone by the workpiece.

Les conditions de fonctionnement rencontrées dans la problématique de nouvelles générations d'alternateurs automobiles avec des chargements variables et un environnement mécanique complexe déformable ont un effet non négligeable sur le comportement mécanique du roulement et par conséquent sur sa durée de vie. Il est proposé dans ce travail une approche permettant de prendre en compte ces paramètres dans l'estimation de la durée de vie des roulements. La répartition des efforts obtenue des considérations statiques sont utilisés dans un modèle dynamique simplifié permettant de déterminer de l'état de contrainte au cours du temps dû au passage de billes sur la piste de roulement. L'approche multi-échelle de Dang Van couplée à une loi de cumul d'endommagement a permis de déterminer le nombre de cycles avant l'apparition des premiers signes de fatigue. La dernière phase du travail concerne l'aspect expérimental qui a montré que le phénomène de fatigue n'est pas la seule cause de dégradation des roulements montés dans les alternateurs automobiles. / The operating conditions encountered in the new generations of automotive alternators with variable loads and a deformable complex mechanical environment have a significant effect on the mechanical behavior of the bearing and hence its fatigue lifetime. An approach that takes into account these parameters in the ball bearing fatigue lifetime has been proposed in this work. The load distribution obtained from static considerations are used in a simplified dynamic model in order to determine the time-dependent stress state due to ball rolling on the raceway. The Dang Van multiscale approach coupled with a damage law was applied to determine the number of cycles before the apparition of the first signs of fatigue. The last phase of work involves the experimental aspect that shows that the fatigue phenomenon is not the only cause of degradation of bearings mounted in automotive alternators.

No / The study is based on a previously proposed methodology for multiaxial fatigue life assessment of injection-molded components (called ‘Through Process Modeling’ (TPM)). The present contribution focuses on stress concentration effects induced in notched samples. Purely macroscopic approaches are unable to capture the different mechanical responses of variably injected parts with the same shape. A high interest of the present method is to take into account the difference of fiber orientation resulting from the process. After briefly reminding the TPM method, it will be shown that good lifetime estimations are obtained for laterally injected samples, from a fatigue criterion identification based on longitudinally injected ones.

Cette thèse fait partie d’un programme de recherche international (IRG Cognac). Lancé par le motoriste SNECMA (groupe SAFRAN), ce projet regroupe l’ENS Cachan, UnB, ENSMA, CNRS, Snecma, Turbomeca et Messier Bugatti Dowti, et se concentre sur l’effet du gradient des contraintes sur endommagement par fretting fatigue. Le fretting-fatigue se réfère au processus d’endommagement localisés en bord de fuite entre deux corps en contact soumis à un chargement de fatigue. La maitrise de ce phénomène est d’une importance cruciale dans la détermination des durées de vie des disques de turbine. En bord de contact, le champ de contrainte hérité des forces de contact est maximal à la surface mais présente un fort gradient en s’éloignant du contact.Il a été montré dans cette thèse que pour l’alliage Ti-6AL-4V, les approches locales, basés sur le niveau de contrainte au points critiques ne sont pas applicable dans ces conditions. Une approche non locale, s’appuyant sur la théorie de la distance critique a donc été utilisée. En effet, des fissures courtes initiées au point critique peuvent propager jusqu’à rupture ou peuvent s’arrêter si la diminution des contraintes est suffisamment sévère. Une seconde difficulté réside dans la nature multiaxial et localement non proportionnel du chargement. Le fretting fatigue est généralement créé par la superposition d’un chargement de fatigue cyclique, d’une force normale à la surface souvent considérée constante, et d’une force cyclique tangentiel à la surface mais dont la fréquence peut être différente de celle de la fatigue.Les résultats des essais réalisés ont mis en évidence l’effet du gradient des contraintes sur la fissuration et ont étaient utilisés pour évaluer le potentiel de diffèrent critères pour le dimensionnement en fatigue des structures. La simulation du phénomène a en effet été réalisé en utilisant différente approches. La première s’appuie sur la Théorie de la distance critique et utilise un critère multiaxial. La seconde utilise l’amplitude du facteur d’intensité des contraintes, ΔK, pour prédire l’arrêt des fissures courtes. Finalement un récent modèle construit comme un critère de plasticité en pointe de fissure a été appliqué au problème de fretting fatigue. Ce critère a pour particularité de prendre en compte la contrainte T dans le développement asymptotique en pointe de fissure. / This thesis is part of an international research program (IRG Cognac) initiated by the engine manufacturer SNECMA (SAFRAN group) involving ENS Cachan, UnB, ENSMA, CNRS, Snecma, Turbomeca et Messier Bugatti Dowty. The thesis focuses on the effect of a stress gradient in fretting fatigue. Fretting-fatigue refers to the damage process localized at the frontier of the contact between two contacting bodies subjected to fatigue loadings. The prediction of this phenomenon is of major importance in determining, for instance, the lifetime of fan's disc. In the vicinity of the contact front, the stress field inherited from the contact loads is maximal at the surface and displays a strong gradient from the surface. It was shown in this thesis, for a Ti-6AL-4V alloy, that local approaches, based on local stresses at the most critical point, are not appropriate to predict fretting fatigue lives. As a matter of fact, short cracks initiated at the most critical point may stop if the stress decay from the surface is strong enough or may continue their growth, up to the failure of the component, if the stress gradient from the surface is not string enough. A second difficulty is the multiaxial and non-proportional nature of the loading conditions. Fatigue-fretting stems from the combination of loads that have neither the same spatial distribution nor the same time-dependency. In fretting-fatigue tests, three loading components are considered, the fatigue loading of the component (cyclic), the normal part (assumed to be constant) and the in-plane part (cyclic) of the loads between the two contacting components. To quantify the effect of the stress gradient, tests were carried out on a fatigue testing contact bench developed at the University of Brasilia, with experimental conditions ensuring different stress gradient while keeping the maximal stress the same. Damage mechanisms were studied using post-mortem analysis and optical microscopy on the contact elements tested. The prediction of the fretting fatigue life was done using different approaches. The first one is based on the Critical Distance Method and a fatigue criterion. The second is based on a K-based short crack arrest method. Finally, a new criterion was proposed. This method considers a generalized von Mises yield criterion for the crack tip region and accounts for the T-stresses in the asymptotic LEFM development.

L’industrie automobile est confrontée à la problématique de dimensionnement en fatigue de pièces structurelles en polymères thermoplastiques. En effet, de nombreux facteurs liés à l’environnement ou aux conditions de service influencent la tenue en fatigue. Les campagnes d’essais en fatigue classiquement menées sont longues (1 mois pour une condition donnée). L’objectif de cette thèse est d’accélérer la caractérisation en fatigue de ce type de matériau en utilisant des essais d’auto-échauffement. Une première analyse empirique est démontrée possible et permet d’estimer l’endurance limitée à 106 cycles. L’analyse des indicateurs mécaniques et de l’évolution de la microstructure (MEB et Micro-tomographie rayon X) durant les paliers de chargements confirme l’existence d’un seuil correspondant à cette endurance limitée. Dans un second temps, une méthode est proposée en associant un critère énergétique à la courbe d’auto-échauffement complète afin de prédire en moins de 2 jours une courbe de Wöhler déterministe. Ce critère est confronté à l’étude de facteur influent telle la géométrie de l’échantillon ou la reprise en eau du matériau. Une courbe unifiée reliant l’énergie dissipée par cycle au nombre de cycles à la rupture est proposée. Enfin, la méthode est appliquée avec succès à l’étude de structures. / Designing short fibers reinforced thermoplastics (SFRP) components is now a major concern for the automotive industry. This task is difficult because of the numerous factors affecting the fatigue lifetime coupled to long fatigue campaigns (usually a month for a given experimental condition).The objective of this thesis is to apply a heat built-up protocol on a SFRP used for structural automotive applications (PA66GF50, a polyamide filled with 50% of glass fiber in mass) to predict quickly the fatigue properties from temperature measurements. A heat build-up protocol developed for metallic materials has been used to speed up the fatigue characterization of PA66GF50. The life time estimation given by a first rough analysis is compared successfully to the fatigue curve obtained from a classical campaign. To understand what is caught from the thermal measurements, the evolution of the microstructure throughout the heat build-up test was investigated by X-ray micro-tomography and SEM and compared to the evolution of the mechanical features. In order to provide a relation between the full heat build-up curve and the Wohler curve, the dissipated energy is then evaluated from the thermal measurements and the parameters of an energetic fatigue criterion are identified from the results obtained from one single sample. The fatigue curve predicted from the heat build-up curve and obtained in 2 days, is compared to the one obtained from a classical fatigue campaign and the agreement is very good. The energy based criterion as well as the identification of the dissipation sources from the temperature measurements are finally challenged by an experimental campaign achieved on a sample with a different geometry and different water content. Dissipated energy curve seems unified results. Finally, the method is applied to the study of the lifetime of structures.

Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension des mécanismes d'endommagement et à l'identification d'un critère de durée de vie du polyamide 6,6 renforcé à 30% en masse de fibres de verre courtes (PA66GF30), obtenu par moulage par injection, en prenant en compte les effets de la température, de la teneur en eau et des orientations de fibres induites par le procédé de fabrication. Ainsi, dans un premier temps, une campagne d'essais de caractérisation du comportement mécanique du PA66GF30, pour différentes orientations de fibres, températures, teneurs en eau et vitesses de sollicitation, a été menée. Ceux-ci ont mis en évidence le rôle de la matrice polyamide 6,6 (PA66) dans la dépendance à la température, à la teneur en eau et à la vitesse de sollicitation du comportement du PA66GF30. Dans ce sens, une triple équivalence Temps-Température-Teneur en eau du comportement du PA66 a été démontrée à l'aide de courbes maîtresses obtenues par DMA. Une nouvelle expression de la vitesse équivalente à une température et une teneur en eau de référence en a alors été déduite, dans l'objectif de pouvoir rendre compte de cette triple sensibilité dans un futur modèle de comportement. Ensuite, une campagne d'essais de fatigue dans des conditions environnementales contrôlées, a permis d'étudier les effets de l'orientation des fibres, de la température et de la teneur en eau, sur la tenue en fatigue d'éprouvettes en PA66GF30. L'analyse mécanique de ces essais a abouti à l'identification d'un critère de durée de vie, tenant compte de l'ensemble des facteurs influents. Enfin, la microtomographie des rayons X sous faisceau synchrotron a été utilisée pour étudier les mécanismes d'endommagement en fatigue présents dans le PA66GF30, suite à des analyses post-mortem et des expériences in-situ. Le dépouillement de ces observations a permis de faire la lumière sur les mécanismes d'endommagement, et de proposer un nouveau scénario d'endommagement en fatigue. / The work discussed in this thesis is a contribution to the understanding of damage mechanisms and identifying a fatigue criterion of polyamide 6,6 reinforced with 30 wt% of short glass-fibres (PA66GF30), obtained by injection molding, taking into account the effects of temperature, water content and fiber orientations induced by the process. Thus, in a first step, the characterization of the mechanical behavior of PA66GF30 for different fiber orientations, temperatures, moisture contents and strain rates, was conducted. They have highlighted the role of the polyamide matrix (PA66) in the temperature, water content and strain rate behavior dependence of PA66GF30. In this sense, Time-Temperature-Water content equivalence of mechanical behaviour of PA66 was demonstrated using master curves obtained by DMA. A new expression of the equivalent strain rate at temperature reference and a water content reference was then deduced, and it is now possible to relay the triple sensitivity to strain rate, temperature and water content in only one term. Then, a fatigue test campaign in controlled environmental conditions, allowed to study the effects of fiber orientation, temperature and water content on the fatigue behaviour of PA66GF30 specimens. The mechanical analysis of these tests has led to the identification of a fatigue life criterion, taking into account all the influencing factors. Finally, the X-ray microtomography under synchrotron beam was used to study the mechanisms in fatigue damage present in the PA66GF30, following post-mortem analysis and in-situ experiments. The analysis of these observations has shed light on the mechanisms damage and, it has been proposed a new fatigue damage scenario.

Dans cette thèse, nous proposons une analyse globale multi-échelles de la fatigue à faible nombre de cycles des matériaux à mémoire de forme (MMF). Dans un premier temps, une large campagne d’essais a été menée pour différents chargements thermomécaniques comprenant des tests de fatigue sous contrainte et déformation imposée et pour différentes fréquences de chargement. A partir des résultats des essais, un critère de fatigue, basé sur l’énergie de déformation, a été développé ; on montre que l’énergie de déformation est un paramètre pertinent pour prédire la fatigue des MMF en tenant compte du couplage thermomécanique et du type de chargement : contrainte ou déformation imposée. Ensuite, en prenant appui sur la répartition de l’énergie de l’hystérésis en dissipation et énergie stockée, on avance une interprétation physique du mécanisme de la fatigue des MMF. Dans la troisième partie, on propose une modélisation multi-échelles de l’initiation des fissures de fatigue dans les MMF à partir de la notion de plasticité de transformation (PlTr). Dans ce cadre, on montre que la fatigue de MMF est contrôlée par la (PlTr) et que la température maximale lors de la transformation de phase est le paramètre à retenir pour prédire la rupture par fatigue des MMF. Le modèle permet également de prédire le lieu d’initiation des premières fissures de fatigue. Enfin, un procédé – fondé sur l’«éducation» des MMF – permettant d’améliorer la résistance à la fatigue est proposé. / The thesis proposes a multi-scale comprehensive analysis of low cycle fatigue of shape memory alloys (SMAs). First, low cycle fatigue of SMAs is experimentally investigated; comprehensive tensile-tensile fatigue tests under both stress and strain controlled loadings at different frequencies are carried out and results are discussed. Second, a new strain energy-based fatigue criterion is developed; it is shown that the use of total strain energy is a relevant parameter to predict fatigue lifetime of SMAs for different thermomechanical conditions and under different types (strain-control or stress-control) loadings. A physical interpretation of the mechanism related to the low-cycle fatigue of SMAs is then provided based on the conversion of hysteresis work into dissipation and stored energy. Third, fatigue crack initiation during cyclic stress-induced phase transformation is modeled based on transformation induced plasticity (TRIP); it is shown that the maximum temperature during the cyclic loading is a relevant indicator of the fatigue of SMA. Furthermore, the effect of the macroscopic mechanical load on the the fatigue lifetime is addressed as well as the spatial location of crack initiation. Finally, a mechanical training process that allows enhancing resistance to low cycle fatigue of SMAs is proposed.

Zunehmendes Downsizing und der Trend zum Leichtbau bei Welle-Nabe-Verbindungen erfordern eine exakte Beschreibung des Systemverhaltens. Elastische Simulationen erfordern im Post-processing die Analyse komplexer Zusammenhänge, welche oftmals nur empirisch begründet sind. Elastisch-Plastische Materialmodelle geben die Möglichkeit Stütz- und Setzeffekte von Passfederverbindungen bereits während der Simulation abzubilden. Die vorliegende Arbeit wendet elastisch-plastische Materialmodelle auf Passfederverbindungen an, um auftretende Versagensmechanismen zu beschreiben. / Downsizing and the trend to lightweight design ofshaft-hub-connections need an accurate description of the behaviour of the system. In post-processing, elastic simulations require a complex analysis based on empiric formula. Using elastic-plastic material models enable the possibility to respect support and set effects of feather key connections within the simulation. The current paper applies elastic-plastic material models to feather key connections in order to describe occurring failure mechanisms.

L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier l'influence de la microstructure et de défauts géométriques sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) d'un acier inoxydable austénitique 316L. La méthodologie proposée s'appuie sur des simulations par éléments finis (EF) d'agrégats polycristallins qui permettent de décrire les champs mécaniques à l'échelle des mécanismes impliqués dans les processus d'amorçage de fissures de fatigue.Une étude numérique préliminaire, s'appuyant sur des données expérimentales issues de la littérature, est conduite sur un cuivre électrolytique à l'aide de simulations numériques d'agrégats polycristallins en 2D. L'effet du trajet de chargement et de défauts artificiels de taille proche ou légèrement supérieure à celle de la microstructure sur les réponses mécaniques mésoscopiques sont analysés. Les capacités de prédiction de quelques critères de fatigue, s'appuyant sur des quantités mécaniques mésoscopiques, sont évaluées. Il est mis en évidence que les limites de fatigue macroscopiques prédites par un critère de fatigue probabiliste sont en accord avec les tendances expérimentales observées en fatigue multiaxiale et en présence de défauts.Une campagne expérimentale a été menée sur un acier austénitique 316L. Des essais de fatigue oligocyclique sont conduits afin de caractériser le comportement élasto-plastique du matériau. Des essais de FGNC, utilisant des éprouvettes avec et sans défaut de surface (défaut artificiel hémisphérique) ont été effectués pour estimer les limites de fatigue dans différentes conditions de sollicitation (traction, torsion, traction et torsion combinée, traction biaxiale) et pour plusieurs rayons de défaut. Dans le but de compléter la caractérisation du matériau, la microstructure est étudiée à l'aide d'analyses EBSD et la texture cristallographique est mesurée par diffraction des rayons X. Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour reproduire, avec des simulations EF, les essais de FGNC sur des microstructures 2D et 3D représentatives de l'acier austénitique. L'hétérogénéité de quantités mécaniques mésoscopiques pertinentes en fatigue est discutée avec une attention particulière sur l'effet des défauts. L'approche probabiliste est appliquée aux résultats des modèles EF pour quantifier l'effet de la taille du défaut, pour différents trajets de chargement. La pertinence, vis-à-vis des observations expérimentales, des distributions de la limite de fatigue prédites est évaluée. / The aim of this study is to analyze the influence of both the microstructure and defects on the high cycle fatigue (HCF) behaviour of a 316L austenitic stainless steel thanks to finite element (FE) simulations of polycrystalline aggregates.%The scatter encountered in the HCF behavior of metallic materials is often explained by the anisotropic elasto-plastic behavior of individual grains leading to a highly heterogeneous distribution of plastic slip.Since fatigue crack initiation is a local phenomenon, intimately related to the plastic activity at the crystal scale, it seems relevant to rely on this kind of modeling to evaluate the mechanical quantities.A preliminary numerical study, based on experimental data drawn from the litterature, was conducted on an electrolytic copper using simulations of 2D polycrystalline aggregates. The effect of the loading path and small artificial defects on the mesoscopic mechanical responses have been analyzed separately. Moreover, the predictive capabilities of some fatigue criteria, relying on the mesoscopic mechanical responses, has been evaluated. It was shown that the macroscopic fatigue limits predicted by a probabilistic fatigue criterion are in accordance with the experimental trends observed in multiaxial fatigue or in the presence of small defects.An experimental campaign is undertaken on an austenitic steel 316L. Low cycle fatigue tests are conducted in order to characterize the elasto-plastic behavior of the material. Load-controled HCF tests, using both smooth specimens and specimens containing an artificial hemispherical surface defect, are carried out to estimate the fatigue limits under various loading conditions (tension, torsion, combined tension and torsion, biaxial tension) and several defect radii. To complete the characterization of the material, the microstructure is studied thanks to EBSD analyzes and the cristallographic texture is measured by X-ray diffraction. These experimental data are used to reproduce, with FE simulations, the HCF tests on 2D and 3D microstructures representative of the austenitic steel. The heterogeneity of the mesoscopic mechanical quantities relevant in fatigue are discussed in relation to the modeling. The results from the FE models are then used along with the probabilistic mesomechanics approach to quantify the defect size effect for several loading paths. The relevance, with respect to the experimental observations, of the predicted fatigue strength distributions is assessed.