Les pieds d’aubes de soufflantes de turboréacteurs font face à des sollicitations de type fretting. Il en résulte deux types d'endommagements: (i) l'amorçage et la propagation de fissures, (ii) l'usure des surfaces en contact. OBJECTIF: Afin de fournir les outils permettant de répondre à la problématique industrielle, une méthode semi-analytique permettant de traiter des problèmes de contacts élasto-plastiques revêtus et/ou hétérogènes est développé à partir d'éléments existants et de solutions analytiques et numériques novatrices. METHODE: La structure est simplifiée en supposant un contact entre deux massifs élastiques semi-infinis. Des solutions analytiques donnant pour: + les contributions élémentaires de chargements normaux et tangentiels constants sur une surface rectangulaire + les contributions élémentaires de déformations plastiques supposées constantes sur un volume parallélépipédique + les contributions élémentaires de déformations d’incompatibilité liées à un problème hétérogène (inclusions, revêtements, endommagement,...) supposées constantes sur un volume parallélépipédique. >> les déplacements en surface ou les contraintes dans le volume. Les déplacements en surface ou les contraintes dans le volume sont alors exprimés en utilisant des produits de convolution discrets entre des coefficients d'influence et la source surfacique (chargements en surface) ou volumique (déformations plastiques ou d'incompatibilité). Le problème normal et le problème tangentiel en glissement total ou en glissement partiel peuvent alors être résolus, en prenant en compte les effets plastiques et hétérogènes. L'algorithme d'optimisation sous contrainte utilisé (contact elastique) est celui développé par L.Gallego tandis que la base du solver plastique utilisé a été développé par C. Jacq (contact elasto-plastique sans frottement) RESULTATS: De nouvelles solutions analytiques sont obtenues pour le calcul des déplacements résiduels tangentiels. / Fan blade roots of jet engines are operating under fretting sollicitations. This results in two types of damage: (i) initiation and crack propagation, and (ii) wear of contact surfaces. OBJECTIVE: A semi-analytical method has been developed in order to solve the industrial problem. This method is fast-computing and able to deal with elastic-plastic coated contacts and / or heterogeneous, and has bee developed from existing items and innovative analytical and numerical solutions. METHOD: The structure is simplified by assuming two semi-infinite elastic solid in contact, and analytical solutions for: + Contributions of elementary normal and tangential loads constant over a rectangular area + Contributions of elementary plastic strains constant on a parallelepiped + Contributions basic incompatibility of deformations related to a heterogeneous (inclusions, coatings, damage ,...) constant on a parallelepiped. >> on surface displacements and stresses in the volume. Surface displacements and stresses in the volume are then expressed using discrete convolution products (2D or 3D-FFT) between the coefficients of influence and the surfacic (loading surface) or volumic (plastic deformation or inconsistency) source. The normal and tangential problems in both the gross-slip and stick-slip regime can be solved, taking into account the effect of plasticity and heterogeneities. The contact algorithm used (elastic contact) has been developed by L. Gallego while the base of the plastic solver has been developed by C. Jacq (frictionless elastic-plastic contact) RESULTS: New analytical solutions are given for calculating the residual tangential displacements.

La durée de vie en fonctionnement des pièces mécaniques peut être augmentée par la présence de contraintes résiduelles de compression. Inhérentes à la plupart des procédés de fabrication, contraintes résiduelles jouent un rôle sur la tenue en service des éléments mécaniques. La connaissance et la maîtrise de ces contraintes résiduelles et des procédés associés sont donc fondamentales. La mise en place de méthodes numériques performantes pour prédire ces contraintes résiduelles permettra à terme d'éviter de nombreux et coûteux essais et d'étudier l'influence des principaux paramètres. Cette thèse présente le développement et l'application de méthodes de calcul semi analytiques (SA) à la modélisation de procédés mécaniques de mise en compression des surfaces. Les méthodes SA, initialement développées pour la simulation des contacts élasto-plastiques, ont l'avantage de temps de calcul très significativement réduits par rapport aux méthodes numériques conventionnelles. Cette méthode est d'abord utilisée pour la simulation d'un procédé connu sous le nom de galetage, avec un chargement de type contact roulant. Enfin elle est utilisée pour la simulation d'impacts uniques puis répétés, et les développements associés présentés. Le contact roulant entre deux massifs élasto-plastiques, sans considération du frottement, est d'abord étudié. L'influence de la plasticité et du type d'écrouissage (isotrope ou cinématique), de la géométrie des massifs en contact (sphéres ou ellipsoides) et du type de chargement (indentation ou roulement) sur la pression de contact et les déformations plastique sont analysés. La simulation d'impacts est ensuite abordée. La méthode développée est tout d'abord validée numériquement, puis confrontée à l'expérience. Trois matériaux ont été plus particulièrement étudiés : 316L, AA 7010, et l'Inconel 600. Les dimensions des impacts ainsi que les déformations générées, mesurées par stéréo corrélation sont utilisées pour valider expérimentalement la méthode. Le procédé de billage ultrasonore a été tout particulièrement étudié. Dans un premier temps nous nous sommes attachés à la décrire la cinématique des billes dans une chambre fermée, mises et maintenues en mouvement par une sonotrode. L'utilisation de formules analytiques pour l'estimation des coefficients de restitution, lors des nombreux chocs entre les billes ou avec les parois de la chambre, a permis d'affiner le calcul des vitesses moyennes d'impact en fonction des paramètres du procédé. La méthode SA est ensuite utilisée pour déterminer le champ de déformations plastiques induits par les impacts. Enfin une méthode de projection est proposée pour permettre in fine la prédiction des contraintes résiduelles pour des structures fines ou épaisses. / The life time of mechanical components can be increased by the presence of compressive residual stresses. Inherent to most production processes, residual stresses play a critical role on the mechanical parts behaviour. The knowledge and mastering of residual stresses and linked processes are thus fundamental. The development of efficient numerical methods to predict these residual stresses will allow to save costly experiments and to study the influence of the main parameters. This PhD presents the development and application of semi analytical methods (SAM) to the modelling of mechanical processes of compressive residual stress generation. The SAMs, initially developed for the simulation of elasto-plastic contacts, have the advantage of significantly low computation time compared to classical numerical methods. This method is first used to simulate the low plasticity burnishing process, with a rolling loading. Then, it is used for the simulation of impacts, first unique and then repeated. The frictionless rolling contact between two elasto-plastic bodies is first studied. The influence of plasticity, of the hardening model (isotropic or kinematic), of the geometry of the bodies in contact (spheres or ellipsoids) and of the loading type (indentation or rolling) on the contact pressure and plastic strains are analysed. Impacts simulation is then addressed. The developed method is first validated numerically then confronted to experimentations. Three materials have been particularly studied: 316L, AA 7010 and Inconel 600. The impacts dimensions and the generated strains, measured by digital image correlation, are used to validate experimentally the method. The ultrasonic shotpeening process has been specifically studied. The description of the kinematics of the shots put in movement by a sonotrode in a closed peening chamber has first been studied. The use of analytical formulae for the estimation of the coefficients of restitution, during the numerous impacts between shots and with the chamber’s walls, allowed refining the calculation of the average impact velocity as a function of the process parameters. The SAM is the used to determine the plastic strain field induced by the impacts. At last a projection method is proposed to finally determine the residual stress field in thick or thin structures.

La fatigue à nombre de cycles élevé (HCF) est un mode de défaillance courant et dangereux pour les aubages de turbomachines. Elle est induite par les efforts dynamiques élevés générés lors de résonances présentes dans la plage de fonctionnement de ces machines. Les dispositifs amortisseurs basés sur l’utilisation du frottement sec, tels que les nageoires ou les frotteurs sous-plateformes, permettent de réduire les amplitudes vibratoires, voire de repousser les fréquences de résonance hors des zones de fonctionnement. Cependant la conception de ces dispositifs reste encore largement basée sur l’empirisme et ils peuvent être la source d’un effet de désaccordage potentiellement nuisible. L’objectif ici est de développer des modélisations adaptées au traitement du problème de vibration des aubages en présence de frottement sec, ceci afin de mieux maîtriser les comportements physiques mis en jeu et donc, de mieux maîtriser leur processus de conception. Plusieurs modélisations numériques sont testées et confrontées à des résultats de référence. Une comparaison entre procédures de résolution temporelle et fréquentielle est menée et montre l’efficacité des méthodes fréquentielles. La méthode fréquentielle de la balance harmonique à plusieurs harmoniques est adaptée au problème et exploitée dans le cadre d’une étude énergétique. Cette étude conduit à une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu lors de l’aplatissement des pics en fonctionnement ; elle permet de démontrer que l’alternance des états de contact glissant et bloqué est à l’origine de cet aplatissement et non la dissipation d’énergie comme souvent avancé dans la littérature. Enfin, la méthode est exploitée pour décrire le comportement des disques aubés désaccordés. La méthode de Monte Carlo est utilisée pour obtenir les caractéristiques statistiques de la réponse forcée d’un système discret, en tenant compte des variations stochastiques des paramètres du contact notamment, la charge normale, la raideur du contact et le coefficient de frottement. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les effets de la nature variable de ces paramètres fondamentaux sur la dynamique d’ensemble du système non linéaire. / Fatigue with high number of cycles (HCF) is a current and dangerous mode of failure for the blades of turbo shaft engines. It is induced by the high dynamic stresses generated at resonance in the operating range of these machines. The rubbing devices based on use of dry friction, such as shrouds or under-platform dampers, make it possible to reduce the vibratory amplitudes, to even push back the resonance frequencies out of the operation zones. However the design of these devices remains still largely based on empiricism and they can be the source of a potentially harmful effect of mistuning. The goal is to develop adapted modelling for the treatment of blades vibration problem in the presence of dry friction, this in order to better control the concerned physical behaviours and thus, to better control their process of design. Several numerical modelling are tested and confronted with reference results. A comparison between procedures of time and frequency domains resolution is carried out and shows the effectiveness of frequential methods. The frequential method of the Harmonic Balance including several harmonics is adapted to the problem and is used within an energy study. This study leads to a better comprehension of the phenomena of peaks flattening and it shows that the alternation of the states of slipping and sticking contact is the real cause of this flattening and not energy dissipation like often advanced in the literature. Lastly, the method is exploited to describe the behaviour of mistuned bladed disks. The Monte Carlo method is used to obtain the statistical characteristics of the forced response for a lumped system, by taking account of the stochastic variations of parameters in the contact, specifically the normal load, the stiffness of the contact and the coefficient of friction. Results obtained make it possible to better include/understand the effects of the variable nature of these fundamental parameters on dynamics of nonlinear system.

Afin de comprendre les mécanismes d’usure et de frottement des composites carbone/carbone (C/C) utilisés en freinage aéronautique, un modèle numérique est utilisé pour dissocier les effets mécaniques des effets physico-chimiques et thermiques. Le modèle repose sur l’utilisation d’une approche par éléments finis et de techniques d’homogénéisation appliquées à un volume élémentaire représentatif (VER) du matériau à l’échelle mésoscopique frottant sur une surface rigide ou déformable. A cette échelle, le matériau est décrit par une matrice en carbone et des paquets de fibres de carbone appelés torons, perpendiculaires à la surface frottante. Pour assurer la représentativité de la structure du matériau, plusieurs modèles hétérogènes sont étudiés. Les résultats sont comparés à ceux obtenus avec le modèle homogène équivalent qui découle de l’homogénéisation. L’influence des conditions de contact (la rigidité), ainsi que l’influence de la distribution des torons proches de la surface frottante sur les régimes de vibrations des différents modèles sont mises en évidence. L’extension du modèle numérique à un contact entre deux composites a mis en évidence une forte augmentation des contraintes maximales localisées principales dans les torons présents à la surface frottante. Ces fortes localisations de contraintes peuvent avoir pour conséquence l’endommagement des torons ce qui induit la dégradation de la surface frottante jusqu’aux détachements de particules. / To understand the mechanisms of wear and friction of carbon 1 carbon composites (C/C} used in aeronautical braking, a numerical model is used to separate the mechanical effects of the physico-chemical and thermal effects. The model is based on the use of an approach by finite elements (FE} and techniques of homogenization applied to a representative elementary volume (RVE} of the material in the mesoscopic scale rubbing on a rigid or deformable surface. In this scale, the material is described by a matrix in carbon and packages of carbon fiber called strands, perpendicular on the contact surface. To insure the representativeness of the structure of the material, several heterogeneous models are studied. The results are compared with those obtained with the equivalent homogeneous model which ensues from the homogenization. The influence of the conditions of contact (the rigidity), as well as the influence of the distribution of strands at the contact surface on the regimes of vibrations of the various models are revealing. The extension of the numerical model in a contact between two composites underline a strong increase of maximal constraints mainly localized in the strands present on the contact surface. These strong localizations of constraints can have for consequence the damage of strands what leads the degradation of the contact surface until the detachments of particles.

Des études internes à Liebherr-Aerospace France, concernant la conception de nouveaux compresseurs lubrifiés par gaz réfrigérant, ont montré que dans des conditions de fonctionnement spécifiques, un mélange de vapeur et de liquide apparaît au sein du compresseur, au lieu d'une phase vapeur seule. De ce fait, le comportement des paliers à feuilles lubrifiés au gaz réfrigérant est étudié, y compris la possibilité d'un écoulement diphasique du lubrifiant. L'étude porte sur le comportement du lubrifiant uniquement, dans des conditions de fonctionnement qui sont celles des paliers à feuilles. L'approche Thermo-Hydrodynamique décrit les caractéristiques du lubrifiant telles que la pression, la densité, la viscosité et la température. Dans ce modèle, une équation de Reynolds généralisée pour écoulement turbulent, une équation d'état non-linéaire pour écoulement diphasique et une équation de l'énergie tridimensionnelle pour film-mince et écoulement turbulent sont utilisées. Les paramètres globaux du palier sont calculés en régime permanent. / Internal experiments at Liebherr-Aerospace FRANCE on new refrigerant-lubricated compressor designs have shown that under specific operating conditions, a mixture of vapor and liquid appears in the compressor, instead of a single-phase vapor flow. Therefore, refrigerant-lubricated foil bearings behavior is studied, including the likelihood of two-phase flow in the lubricant. We focus on the lubricant behavior only, in the operating conditions of foil bearings. The Thermo-Hydrodynamic approach describes lubricant characteristics such as pressure, density, viscosity, and temperature. It involves the use of a generalized Reynolds equation for turbulent flow, a nonlinear cubic equation of state for two-phase flow and a 3D turbulent thin-film energy equation. Journal bearing global parameters are calculated for steady-state conditions.

Dès les débuts de la conquête spatiale, la tribologie spatiale est considérée comme une discipline à part entière car il s’agit de lubrifier un mécanisme non seulement dans le vide spatial, mais aussi lors des opérations au sol, et ceci dans différents environnements (vide simulé, air sec et humide, azote sec). Un lubrifiant spatial, fluide ou solide, doit donc relever le défi de procurer le comportement tribologique désiré dans ces environnements successifs, mais doit aussi résister aux sollicitations dynamiques induites par le lancement. Dans l’espace, le mécanisme doit y être autonome sans maintenance et sa lubrification doit être maintenue pendant au moins 15 ans (800 millions de cycles pour un roulement) tout en conservant fiabilité et précision de positionnement (µrad). Malgré ces enjeux, la maîtrise tribologique spatiale se limite à de l’empirisme et du conservatisme de solutions techniques, notamment lors de l’emploi des matériaux sources de lubrifiants solides qui font l’objet de cette étude. Dans les faits, seules des recommandations d’utilisation existent sans pouvoir prédire le comportement tribologique des solutions. Cette prédiction nécessite la reconstitution de « la vie des contacts ». Cette dernière nécessite l’évaluation des débits de 1ers et 3ème corps. Ces débits dépendent d’un couplage multi-échelles et multi-physique « forcé » par les sollicitations tribologiques. Pour décrypter ces débits, une démarche expérimentale qui couple des mesures mécano-chimiques en temps réel et des analyses post-essai a été développée (forces, analyse de gaz, visualisation électronique et photonique). La simultanéité des mesures permet d’étudier le couplage entre les phénomènes mécaniques (créations de particules de 3ème corps, déformations plastiques des 1er corps) et physicochimiques (adsorption/désorption, modifications chimiques des 1ers et 3ème corps). La démarche est appliquée à l’étude de deux triplets tribologiques ayant respectivement des 1ers corps en MoS2 et MoS2+Ti dont les comportements tribologiques sous vide et sous air humide sont antagonistes. L’utilisation de leur antagonisme permet de mieux comprendre la réponse des 1er et 3ème corps aux sollicitations tribologiques. La reconstitution de la vie de ces triplets a montré : (1) le rôle bénéfique de la structure colonnaire dans l’obtention d’un facteur de frottement faible et d’une longue durée de vie, non parce qu’elle est intrinsèquement colonnaire mais parce qu’elle localise la production de 3ème corps; (2) le rôle bénéfique des contaminations internes et externes aux 1ers et 3ème corps qui délocalisent l’accommodation du volume du 3ème corps vers les complexes de surface, ce qui explique par exemple que l’environnement N2 sec ne puisse, même pour des raisons économiques, simuler l’ultravide. In fine, ces travaux permettent de spécifier une démarche de conception de « triplets tribologiques » qui sera généralisée ultérieurement grâce à la tribologie numérique / From the very beginning of space exploration, “space tribology” became a specific field of competences in its own right because it implies lubricating a mechanism not only in the vacuum of space but also in several environments (simulated vacuum, dry and humid air, dry N2 environment, etc.) on Earth. Consequently, a lubricant, fluid or solid, must provide the desired tribological behaviour in all those successive environments, but it must also resist to the dynamic loading induced by the launch operations. Once in space, a space mechanism must be autonomous, with no possible maintenance, and its lubrication must be sustained during 15 to 30 years (i.e. up to 800 millions cycles for a ball bearing) in space while sustaining high reliability and great precision (to within a few µrad). Despite those stakes, the mastery of space tribology is limited to empiricism and conservatism of technical solutions, especially when solid lubricants, whose are studied in this study, are used. In facts, only directions for use exist without allowing predicting the tribological behaviour of the solutions. That prediction requires the reconstitution of “the contacts’ life”. The latter requires evaluating the 1st and 3rd bodies flows. Those flows depend on a multiscale and multiphysical coupling effect “forced” by the tribological stresses. To decrypt those flows, an experimental procedure which couples both real time and post-mortem mechano-chemical measurements (friction forces, gas analysis, photonic and electronic visualization,) has thus been developed. The simultaneity in the measure allows studying the relationship between mechanical (3rd body particles creation, plastic deformations of 1st bodies, etc.) and physicochemical (adsorption/desorption, chemical changes of 1st and 3rd bodies, etc.) phenomena. The procedure is applied to two tribological triplets respectively containing 1st bodies comprised of MoS2 and MoS2+Ti coatings whose tribological behaviours in vacuum and humid air are antagonistic. Such antagonism allows better understanding the responses of the 1st and 3rd bodies to the tribological stresses. The reconstruction of the contact life of those triplets allowed showing, among others: (1) the beneficial role of coating columnar structure in the obtaining of both a low friction coefficient and a long wear life. This is not because it is columnar but because such a structure localizes the 3rd body creation; (2) the beneficial role of contaminations, which is either internal or external to the 1st and 3rd bodies, by delocalizing the accommodation from the 3rd body volume to the surface complexes, which explains, for example, that dry N2 environment can not, even for financial reasons, mimic ultrahigh vacuum. In fine, the study allows specifying a procedure for designing “tribological triplets” which will be generalized at a latter stage thanks to the numerical tribology.

Depuis plus de 150 ans, le presse-garnitures (ou presse-étoupes) est le moyen le plus simple de réaliser l’étanchéité d’un robinet tout en permettant le mouvement de la tige pour ouvrir/fermer le robinet. C’est aussi la principale cause de fuites sur un robinet. Malgré l’utilisation de garnitures en graphite expansé qui réduit de manière significative le nombre de fuites, des problèmes comme l’augmentation de l’effort de manœuvre de la tige y ont été aussi associés. L’amélioration de l’étanchéité tout en réduisant l’effort de manœuvre de la tige est constamment recherchée sur un presse-garnitures de robinet afin d’optimiser industriellement. Pour atteindre cet objectif, le presse-garnitures est au cœur des études scientifiques et industrielles depuis 1957. Toutes les études identifiées dans la littérature ne permettent pas de maîtriser l’étanchéité et l’effort de manœuvre puisqu’elles ne prennent pas en compte le troisième corps présent dans le contact tige-garnitures lors des manœuvres de la tige. Les travaux de cette thèse proposent alors d’étudier le comportement tribologique du contact tige-garnitures. La démarche adoptée nécessite d’identifier les conditions de contact, ce qui est difficile par une instrumentation directe. Il faut donc reconstituer ces conditions par le couplage entre une approche expérimentale et une approche numérique. L’approche expérimentale est utilisée pour reproduire les conditions du contact tige-garnitures sur un banc d’essai simulant le fonctionnement d’un robinet à l’échelle 1:1. Afin d’améliorer la compréhension du comportement tribologique, des caractérisations tribologiques ont été réalisées sur la tige et les garnitures en graphite expansé après essai. Ainsi, elles ont permis de définir le circuit tribologique du contact tige-garnitures, qui contrôle à la fois l’étanchéité autour de la tige et l’effort de manœuvre. En effet, les débits du troisième corps contrôlent l’étanchéité tandis que le mécanisme d’accommodation de vitesse du troisième corps par cisaillement contrôle l’effort de manœuvre. Afin de compléter l’analyse expérimentale précédente, une approche numérique a été utilisée par l’intermédiaire d’un modèle par éléments finis. Le modèle permet d’évaluer la qualité d’étanchéité d’un presse-garnitures, vis-à-vis de la pression du fluide à étancher. De plus, l’influence du frottement aux interfaces tige-garnitures et boîte-garnitures sur l’étanchéité et l’effort de manœuvre est mise en évidence par l’intermédiaire d’une étude de sensibilité. Les travaux de cette thèse permettent l’appréciation de l’importance de prendre en compte l’influence du troisième corps dans un contact. Dans le cas d’un presse-garnitures, le troisième corps dans le contact tige-garnitures modifie des conditions de contact et celles-ci influent à leur tour l’étanchéité autour de la tige et l’effort de manœuvre. / For over 150 years, compression packing has been the simplest method of sealing a valve while allowing movement of the stem to move to open or close the valve. It is also the major source of valve leakage. Despite the use of flexible graphite packing, which reduces significantly the number of valve leakage incidents, it leads to other problems such as the increasing force required to cycle the stem. Improvement in quality of sealing while decreasing force required to cycle the stem is required in a valve compression packing in order to optimize the industrial system. To achieve this objective, compression packing has been a topic of scientific and industrial research since 1957. All published research does not allow to control the sealing quality and the force required the cycle the stem as it takes no account of the third body in the stem-packing contact while the stem moves. Thus, the work of this thesis designed to investigate the tribological behaviour of the stem-packing contact. The chosen approach requires identification of the contact conditions, which is practically impossible using local measurement. Hence, the contact conditions should be reconstructed using a coupled experimental and numerical investigation. The experimental investigation is carried out on a test rig, which simulates a full-scale operated valve to reproduce the conditions of the stem-packing contact. In order to improve the understanding of the tribological behaviour, the tribological characterization is made of the stem and the flexible graphite packing after the test. Hence, they helped to define the tribological circuit of the stem-packing contact, which controls both the sealing quality around the stem and the force required to cycle the stem. Indeed, the third body flow controls the sealing quality while the third body velocity shearing mode controls the force required to cycle the stem. In order to complete the experimental analysis, numerical investigation is carried out using a finite element model. The model allows to evaluate the sealing quality of a compression packing, with the regards to the fluid pressure. In addition, the influence of friction at the stem-packing and housing-packing interfaces is highlighted through a parametric analysis. The work in this thesis helps to raise awareness about the importance of taking into account the influence of the third body in a contact. In the case of compression packing, the third body changes the contact conditions which in turn, influence the sealing quality around the stem and the force required to cycle the stem

Le matériau composite carbone/carbone ou C/C est utilisé en temps que matériau de friction en freinage aéronautique. Matériau complexe tant du point de vue de sa description microstructurale que de son comportement sous sollicitations tribologiques, il a été l’objet de nombreuses études visant à mieux comprendre les mécanismes régissant sa réponse (frottement, endommagement, usure) à ces sollicitations. Dans cette étude nous nous focalisons sur l’aspect mécanique de cette réponse. En particulier, nous nous intéressons aux endommagements présents dans le matériau : nous souhaitons étudier tant leurs origines que leur influence sur le comportement du matériau. Pour cela, nous choisissons une approche combinée numérique et expérimentale, nous permettant d’identifier de façon exhaustive ces endommagements puis de construire un modèle numérique tribologique permettant d’étudier les mécanismes d’usure du matériau. Nous montrons comment les mécanismes d’accommodation en volume du 1er corps influent sur les détachements de particules en surface, nous conduisant à parler de dialogue tribologique surface/volume. Le modèle numérique utilise la méthode des éléments discrets pour représenter 1er et 3ième corps simultanément. Un travail est réalisé autour de la représentativité du modèle vis-à-vis des caractéristiques mécaniques du composite C/C. Nous proposons également une démarche de recherche d’un Volume Elémentaire Représentatif sous condition de contact. Ce modèle ainsi que les observations du matériau nous permettent de proposer un scenario de comportement tribologique du composite C/C, en fonction des sollicitations thermomécaniques qui lui sont appliquées et correspondant aux différents types de freinages aéronautiques. Les endommagements identifiés dans le volume du matériau se révèlent être bénéfiques dans certains cas de figure au travers d’un mécanisme de rigidification du matériau intervenant à haute température, ce qui nous conduit à parler d’ « endommagement utile ». Le scenario intègre donc ce phénomène, ainsi que d’autres tant mécaniques que physicochimiques et identifiés par cette étude ou dans la littérature, et montre comment leur équilibre « dynamique » produit le comportement tribologique identifié du matériau pour les différentes gammes de sollicitations qui lui sont appliquées. / Carbon/Carbon (or C/C) composite is used as a friction material in aeronautical braking applications. This is a complex material from both microstructural and tribological behavior points of view. Thus, it has been studied through various works for several years, aiming at understanding what mechanisms guide this material response (friction, damage, wear) under tribological conditions. In this study, a focus is performed on mechanical aspects such as damages that occur in the numerical and experimental approach, in view to identify and classify the damages as well as to build a numerical model used to investigate wear mechanisms. It is underlined how first-body accommodation mechanisms have a great influence on particles detachment at the interface, as a surface/volume tribological dialogue take place. This model is based on the Discrete Elements method and represents simultaneously first- and third-body; such model is able to represent fist-body degradation as well as creation and flow of third-body particles. Its representativeness is ensured through experimental comparisons, particularly on mechanical aspects. A procedure is proposed for the research of a Representative Elementary Volume under contact conditions. Model results and material observations allow proposing a global scenario explaining C/C composite behavior under tribological conditions, which are representative of different aeronautical braking cases. Damages, identified in the volume of the first-body, reveal themselves to be sometimes beneficial, and could be characterized as “useful damages”. The scenario takes into account this phenomenon, as well as thermal, mechanical and physicochemical ones, identified from this work or literature. It explains the influences of these parameters on C/C tribology and show how the dynamic equilibrium between them results on the C/C response, particularly its wear mechanism.

Le squat est un défaut de fatigue de contact apparaissant à la surface du rail et dont le mécanisme d’amorçage est mal compris. Afin de pallier ce manque, une analyse tribologique locale de la bande de roulement du rail est mise en oeuvre à proximité d’un squat naissant. Cette caractérisation révèle une anisotropie importante des couches superficielles du rail associée aux développements de Transformations Tribologiques Superficielles. Ces résultats témoignent de conditions de contact roue/rail particulières dans la zone d’étude, notamment d’un niveau d’efforts de cisaillement inhabituel pour une voie en alignement. Dans le but de valider ces observations, plusieurs essais sont effectués. D’une part les conditions de contact roue/rail dans une zone de squats sont mesurées à partir d’un train instrumenté. D’autre part, la réponse tribologique de l’acier à rail à ces conditions de contact est étudiée à travers le suivi régulier d’une zone d’essais soumise à la circulation ferroviaire. Ces essais permettent d’identifier un déséquilibre important des efforts de traction sur les bogies moteurs et des glissements locaux élevés de la roue sur le rail. Différents mécanismes d’amorçage thermo-mécaniques sont alors proposés au sein d’un schéma global de la réponse tribologique de l’acier à rail. / Squats have recently become recognised as one of the major rolling contact fatigue defects in modern railway networks for which there is currently no solution other than preventive grinding operations or costly rail renewal. To better understand the entire damage mechanism of squat, A tribological and metallurgical analysis of the rolling band and the near surface layer was performed close to an incipient squat. This characterization show a significant anisotropy of the rail surface layer associated with developments of Tribological Transformation of Surface. These results reflect some specific wheel/rail contact conditions in this squat area, including an unusual level of shear forces in a straight track. In order to validate this observations, two tests were performed. On the one hand, the contact conditions in a squat area were measured from an instrumented train. On the other hand, the tribological response of the rail steel was studied through regular monitoring of a test site subjected to railway traffic. These tests allow to identify a high imbalance of the traction forces and the presence of local slips at the wheel/rail interface. Several thermomechanical initiation mechanism of squats are then given in a overall diagram of the tribological response of rail steels.

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.