La liaison aube-disque d'un turboréacteur est soumise en opération à un chargement complexe composé d'une forte pression et d'un mouvement relatif oscillatoire, qui génère un phénomène de fretting–fatigue. L'apparition de celui-ci réduit la résistance en fatigue des structures et engendre des dégradations qui, sous différentes formes (usure, rupture), peuvent conduire à une perte de fonctionnalité. Afin d'assurer la fiabilité des turboréacteurs, il est donc utile d'améliorer l'estimation de la durée de vie sous chargement de fretting.Cette thèse est dédiée à la fois à l'étude de l'amorçage de la première fissure et de sa micropropagation dans le domaine dit "des fissures courtes", c'est-à-dire celles qui sont encore directement influencées par la microstructure locale. Pour remplir la première exigence, on développe un modèle numérique mettant en oeuvre un critère multiaxial de fatigue. Il permet de prédire la position de l'amorçage et le nombre de cycles correspondant, en prenant en compte d'éventuels traitements de surface. Dans un second temps, une étude numérique de la direction et de la cinétique de propagation des fissures est mise en place avec prise en compte de l'influence de la microstructure du matériau, à l'aide d'un modèle de plasticité cristalline qui prend en compte les différentes familles de systèmes de glissement. La vitesse de fissuration diminue à l'approche des joints de grains, ce qui est qualitativement conformes aux observations expérimentales. / The blade-disc fixings of an aircraft engine are subjected to complex loadings composed by a high pressure and oscillatory relative motions during operation. This corresponds to a loading type called fretting. The appearance of fretting phenomenon reduces the fatigue resistance of structuresand generates damage which, in various forms (wear, rupture), can lead to a loss of functionality. In order to ensure the reliability of turbo-engines, the improvement of the models for estimating life prediction is then needed.This thesis is devoted to the study of crack initiation and crack micro-propagation, in the so called "short crack domain", where they are still in interaction with the microstructure. At first, a multiaxial fatigue model is proposed. It predicts the location and the number of cycles to initiation, taken into account the possible surface treatments. Then, a numerical study of the direction and the kinetics of crack propagation is performed with consideration to the influence of the material microstructure. A crystal plasticity model is used, that takes into account all the relevant families of crystallographic slip systems. The crack plane is assumed to be one of the crystallographic plane where the plastic slip is the most intense. The crack propagation rate decreases when approaching grain boundaries, that is qualitatively consistent with the experimental observations.

Ce travail porte sur la prévision du risque de fissuration en fretting fatigue des contacts Teta/Frette des conduites flexibles servant à l’acheminement du pétrole et du gaz. Les mouvements de la houle produisent des micros déplacements typiques du fretting entre les fils de Teta et de Frette. Le problème des conduites flexibles est particulièrement complexe puisqu’il implique de prendre en compte des forts niveaux de pressions induisant de la plasticité et des sollicitations variables. Pour répondre à ce problème, des études expérimentales et numériques ont été menés en parallèle. L’étude de fissuration est divisée entre prévision du risque d’amorçage des fissures et étude des conditions de propagation. L’amorçage est étudié avec le critère de fatigue multiaxial de Crossland appliqué à distance critique pour prendre en compte les gradients de contrainte spécifiques au fretting. Cette distance critique est optimisée pour être représentative du large spectre de gradient des contraintes étudié. Il est montré que si la distance critique est constante quelle que soit le gradient des contraintes, elle est associée à une longueur de fissure amorcée dépendante du gradient (couple ℓopt-bopt). Cette approche optimisée, combinée à une loi élastoplastique représentative permet des estimations très précises des conditions d’amorçage des fissures. [...] / This work concerns the prediction of fretting fatigue cracking risk in the Teta/Frette contacts of flexible pipes used for oil&gaz transportation. Swell movements produce micro-displacements between Teta wires and Frette wires, which are typical of fretting. Fretting problem in flexible pipes is particularly complex as it involves taking account of high pressure levels inducing plasticity and variable loadings. To answer this problem, experimental and numerical studies have been carried out. Cracking study is divided between crack nucleation risk prediction and the study of crack propagation conditions. Crack nucleation is studied using Crossland multiaxial fatigue criterion applied at a critical distance to address fretting stress gradient effect. This critical distance is optimized to be representative of the wide spectrum of stress gradient studied. It is shown that if the critical distance is constant whatever the stress gradient, it is combined with a crack nucleation length which depends on the stress gradient (ℓopt-bopt couple). This optimized approach, combined with a representative elastic-plastic material law, allows very precise estimates of crack nucleation conditions. [...]

Ce mémoire de thèse présente une analyse multi-physique des endommagements par usure provoqués sur un alliage base cobalt soumis à des sollicitations de fretting pour des températures allant de 25˚C à 600˚C. On montre alors que l’usure est sévère à basse température puis douce à haute température. À basse température, l’usure est contrôlée par une synergie entre l’oxydation de l’interface et l’abrasion de la couche d’oxyde nouvellement formée. Une formulation analytique est développée, prenant en compte ces deux aspects. Cependant, cette loi n’est valable que lorsque le produit de l’endommagement, à savoir les débris d’usure oxydés, sont immédiatement évacués de l’interface. Or, si la température dépasse une température seuil T1, les débris commencent à stagner dans l’interface, ils s’agglomèrent et modifient complètement la réponse tribologique. À haute température, une tribocouche protectrice est formée par compaction et frittage des débris, limitant drastiquement l’usure. La loi d’usure par oxydo-abrasion, décrivant le comportement tribologique à basse température, est alors modifiée pour prendre en compte l’apparition de cette tribocouche. La tribocouche, également appelée glaze layer, possède une structure multi-couches, où les propriétés d’oxydation et de diffusion des éléments d’alliage jouent un rôle prépondérant dans les modalités de sa formation. À la lumière de ces résultats, sont finalement discutés les mécanismes mis en jeu dans l’absence totale d’usure lorsque la glaze layer est efficace à l’interface. / This manuscript presents a multi-physical analysis of the fretting wear damages observed on a cobalt-based alloy. It has been showed that the wear process is severe at low temperature whereas a mild wear process takes place at high temperature. At low temperature, the wear process is driven by a synergetic action of the oxidation of the surface and the abrasion of the newly formed oxide layer. An analytical formulation is then proposed by taking into account these two phenomena. However, the proposed wear law is only valid when the wear debris is immediately ejected out of the interface. Yet, when the temperature is high enough, the debris starts to agglomerate into the interface changing completely the tribological response. At high temperature, a protective tribolayer is formed by a compaction and sintering processes of the wear debris which drastically limits wear. The oxido-abrasive wear law, describing the wear behaviour at low temperature, is then modified in order to take into account the tribolayer formation. The tribolayer, also called "glaze layer", has a multi-layerered structure whose formation is strongly linked to the oxidation and diffusive properties of the alloying elements. In the light of these results, the tribological mecanisms providing complete protection of the interface from further wear are discussed.

Nous proposons dans ce manuscrit une nouvelle méthode pour prendre en compte l’effet du gradient en Fretting-fatigue. Les champs mécaniques présents à proximité du front de contact sont décrits à travers des facteurs d’intensité non locaux. L’objectif est d’aboutir à une description du champ de vitesse sous la forme d’une somme de termes exprimés chacun comme le produit d’un facteur d’intensité (Is, Ia, Ic), qui dépend des chargements macroscopiques appliqués à l’ensemble et d’une fonction de forme (ds, da, dc), qui est liée à la géométrie locale du contact. Cette description est obtenue à travers un processus non intrusif de post-processing des résultats obtenus avec des calculs à éléments finis. De plus, elle a été pensée pour être implémentée dans un contexte industriel. En pratique, pour chaque chargement macroscopique et pour chaque géométrie, il est possible de calculer un ensemble de facteurs d’intensité non locaux qui permettent de décrire les champs mécaniques locaux près du front de contact. Cette description non locale a l’avantage d’être (i) indépendante de la géométrie du contact employé et (ii) utilisable dans des modèles à éléments finis utilisés dans l’industrie qui sont caractérisés par des maillages plus grossiers par rapport à ceux utilisés pour étudier le fretting-fatigue dans des milieux académiques. Une étude est menée pour vérifier que les facteurs d’intensité non locaux peuvent être utilisés pour transposer les résultats expérimentaux d’une géométrie à une autre. / In this manuscript a new method to describe the stress gradient effect in fretting-fatigue is proposed. It is based on the description of the mechanical fields arising close to the contact edges through nonlocal intensity factors. For this purpose, the kinetic field around the contact ends is partitioned into a summation of multiple terms, each one expressed as the product between intensity factors, Is, Ia, Ic, depending on the macroscopic loads applied to the mechanical assembly, and spatial reference fields, ds, da, dc, depending on the local geometry of the part. This description is obtained through nonintrusive post-processing of FE computation and is conceived in order to be easily implementable in the industrial context. As a matter of fact, for any given macroscopic load and geometry, a set of nonlocal intensity factors is computed that permits to characterize the mechanical fields close to the contact edges. Such nonlocal description has the advantage of being (i) geometry independent so that the nonlocal intensity factors can be used to compare laboratory test with real-scale industrial assembly, (ii) applicable to industrial FE models usually characterized by rougher meshes compared to the ones used to describe fretting-fatigue in the academic context. The procedure is applied to fretting-fatigue test data in order to verify whether the nonlocal intensity factors can be used to transpose experimental results to different contact geometries from the one in which they have been obtained.

Wind power is the fastest-growing form of green energy production in Europe, today accounting for 15% of the total power demand with 100.000 turbines installed. This tremendous development relied on a massive technological undertaking that must be continued, and even accelerated in order to meet the European Commission’s environmental goals for 2050. Currently, more active individual control of the rotor blades, turning the blade into and out of the wind, has proven its ability to reduce structural loads on the blades and other components significantly, therefore paving the road towards strong cost reductions. To allow for such adjustment, the rotor blades are connected to the rotor hub via pitch bearings. However, these new structural load reduction control strategies force the pitch bearings into a much more demanding operation condition. More frequent positioning activity and often in the form of smaller oscillating motions, when compared to traditional pitch control. This leading to an increased risk of wear damage of the pitch bearing that could fully incapacitate the blade control. At which point the safe regulation of the turbine can no longer be guaranteed and catastrophic failure, such as the loss of a rotor blade, is possible. This project pertains to the design a bearing test rig that can be used to test rolling element bearings with contact conditions that emulate those found in pitch bearings. A novel frameless motor-driven concept is proposed. The concept is aimed towards preventing unnecessary damage of non-test bearings and improving the dynamic performance of the test rig for a given motor capacity. One further objective of the project involved using an existing KTH single contact test rig to study the friction behavior of different lubricants when minute reciprocal tangential displacements are imposed. / Vindkraft är idag det snabbast växande området för grön elproduktion i Europa och står med 100 000 installerade turbiner för 15% av den totala elförsörjningen. Denna otroliga utvecklingen har berott på en massiv teknologisk insats som måste fortsätta. För att nå Europakommissionens miljömål för 2050 måste expansionen av grön elproduktion och vindkraft till och med trappas upp. Nyligen har en mer aktiv individuell reglering av rotorbladen, vilket möjliggör att bladen kan styras in- och ut ur vinden, visat sig kunna reducera lasterna på blad och andra komponenter avsevärt, vilket därmed möjliggör stora kostnadsreduceringar. Dessa justeringar möjliggörs genom att rotorbladen ansluter hubben via ett rotorbladslager. Dessa nya lastreducerande reglerstrategier tvingar dock lagren att arbeta under högre belastning jämfört med traditionell reglering av rotorbladens lutningsvinkel. Det här sker genom mer frekvent positionering och ofta som små oscillerande rörelser, vilket leder till en högre risk för slitage på rotorbladslagren, som i sin tur kan leda till förlust av rotorbladsregleringen. När så sker kan inte längre en säker reglering av turbinen garanteras och katastrofala fel är möjliga, så som förlust av rotorblad. Det här projektet avser att utarbeta en design för en lagerprovningsrigg som kan användas för att testa rullager med kontaktvillkor som efterliknar de som återfinns i rotorbladslagren. Ett nytt koncept,m som är baserat på en ramlös motor, presenteras. Konceptet avser att förhindra onödigt slitage hos testriggens motorlager och förbättra de dynamiska egenskaperna för en given motorkapacitet. Projektet innefattar även en studie av friktionsbeteendet hos olika smörjmedel under små upprepande tangentiella rörelser, som utförts med en befintlig testrigg på KTH.

Le composite HexTOOL TM à base de la matrice bismaléimide renforcé par des fibres de carbone fait partie d’une famille de matériaux composites récemment utilisés pour des applications à haute température. Vu la part croissante de l’utilisation de ce matériau dans les domaines industriels, il est inconcevable de ne pas s’intéresser aux endommagements (fissuration et usure…), engendrés par des sollicitations de contact, en particulier vis-à-vis de matériaux métalliques. L’une des sources de ces endommagements est associée aux vibrations apparaissant lors de sollicitations de petits débattements (fretting).L’objectif de ce travail est de développer une méthodologie expérimentale, permettant d’expertiser le comportement à long terme en fretting du composite HexTOOL TM. Deux résultats essentiels sont mis en avant au cours de cette étude. Le premier concerne l’étude de l’endommagement de la matrice bismaléimide (BMI). Pour cela, les conditions d’amorçage et de propagation des fissures ainsi que l’usure ont été analysées en fonction des conditions de sollicitation locale. Le deuxième résultat est le développement d’une stratégie d’analyse de l’usure du composite HexTOOL TM. L’orientation locale des fibres a une influence notable sur le phénomène de l’usure du composite. Des essais effectués sous des niveaux de force normale et des conditions de température différentes ont mis en évidence une meilleure résistance à l’usure dans les zones où les fibres sont parallèles à la direction de glissement. En outre, des essais menés en fonction de la température ont montré l’influence de la matrice et du troisième corps sur la cinétique d’usure. / Carbon fibre/bismaleimide composite or HexTOOL TM is one of a family of composite materials recently developed for high temperature applications. Given the increasing use of this material in industrial fields, it is interesting to study damage (cracking and wear ...), caused by contact stresses, in particular in the contact with metallic materials. One source of this damage is associated to vibration occurring when a small displacement amplitude oscillatory motion is conducted (fretting). The objective of this work is to develop an experimental methodology, allowing the analyzing of the long-term behavior of composite HexTOOLTM under fretting conditions.Two main results are put ahead during this research. The first concerns the study of damage of the bismaleimide matrix. Two types of damage, depending on local stress conditions: the Cracking and Wear, were analyzed. These experimental data conditions were used for the fretting maps to better visualize the behavior of the composite matrix. The second result is the development of a wear analysis strategy of the composite HexTOOLTM. Influence of the local fibre orientation on the wear kinetics of composite is here presented. Tests performed under constant normal force and different temperature conditions show the best wear resistant performance of composite with parallel fibre orientation to the sliding direction. In addition, the influence of the matrix behaviour (viscous response) and the third body on the wear is shown.

The aim of this thesis was to determine if the size of the femoral head can influ-ence corrosion at the head-neck taper interface of total hip arthroplasty (THA) prosthe-ses. A hypothesis was developed that large head sizes could result in a greater toggling torque at the head-neck taper interface by increasing the distance between the centre of the femoral head to the centre of the neck taper. This could result in increased micromotion and deteriorate the passive oxide film along the head-neck taper interface; thus, making the taper interface vulnerable to corrosion. A retrieval analysis of 74 THA prostheses studied the corrosion damage at the head-neck taper interface. This study revealed that prostheses featuring 36 mm femoral heads had significantly greater head taper corrosion than prostheses with a 28 mm head. Finite element analysis was performed afterwards to identify if the use of large femoral heads can increase the micromotion at the head-neck taper interface due to a greater toggling torque. This experiment demonstrated that with a larger head size the micromotion at the head-neck taper interface increases. An in vitro corrosion fatigue study was performed afterwards following ASTM F1875-98. When applying an off-axis fatigue load, prostheses featuring a 36 mm femoral head displayed significantly more corrosion damage at the head-neck taper interface than those with a 28 mm femoral head. Axial fatigue loading was also applied; negligible corrosion damage at the head-neck taper interface was discovered in comparison to the prostheses that received an out of axis load. This verifies that the use of large femoral heads can result in increased head-neck taper corrosion due to a greater toggling torque.

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This thesis describes a series of fretting fatigue experiments carried out under closely controlled conditions of partial slip. These experiments confirm the existence of a size effect whereby the fretting fatigue life of an aluminium alloy is shown to vary with contact size. The configuration chosen, of cylindrical fretting pads contacting a plane specimen is amenable to classical stress analysis and the surface tractions between the contacting bodies are derived. The effects of tension in the specimen, finite specimen thickness, differing elastic constants, and surface roughness are all investigated and incorporated into the analysis where appropriate. A technique is then developed to calculate stress intensity factors for plane cracks growing under the contact load at an arbitrary angle to the free surface. The analysis is then applied to the experimental results and three possible explanations for the size effect are proposed, based on statistical effects, crack arrest, and crack initiation. These are examined in the light of the experimental evidence and it is proposed that the variation of fatigue life with contact size is due to an increase in the amount of fretting damage above a threshold level for crack initiation. A composite parameter is chosen to characterise the severity of fretting conditions and this is shown to describe the experimental results accurately. Finally, the use of this parameter in design calculations is discussed.