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 présence d'eau sur la route affecte l'adhérence des pneumatiques. Un film d'eau s'interpose entre le pneumatique et la rugosité du sol routier entraînant d'abord une perte de l'adhérence par adhésion provenant du contact direct gomme-sol. Ensuite, la réduction de la déformation de la gomme induit une diminution de l'adhérence par indentation. C'est ce second aspect qui sera étudié. Le film d'eau génère une portance par un phénomène de lubrification qui diminue la déformation du pneumatique et ainsi son adhérence. Cette étude est basée sur une théorie prédisant la diminution de l'amplitude de la rugosité en fonction des propriétés des surfaces et des conditions de contact. L'équation de Reynolds est résolue par des techniques de calcul efficaces. La viscoélasticité est implémentée dans les calculs de contact sec et lubrifié. L'objectif de cette étude est de proposer un modèle de prédiction de la diminution de l'adhérence d'un pneumatique sur sol mouillé. La meilleure compréhension du contact permettra d'améliorer le choix du matériau composant les bandes de roulements des pneumatiques. / Water presence on road affects tyre friction. A water film interposed between tyre and road asperities results first in a loss of adhesion friction coming from the direct contact between rubber and road. Then, the rubber deformation reduction leads to a diminution of the hysteretic friction. This study focuses on this last topic. The water film generates a hydrodynamic force by a lubrication phenomenon which decreases rubber deformation and friction. This study is based on a theory which predicts roughness amplitude reduction as a function of surface properties and contact conditions. Reynolds equation is solved using efficient computing methods. Viscoelasticity is implemented in dry and lubricated calculations. The aim of this research is to suggest a predictive model of the tyre friction decrease on wet roads. A better understanding of the contact will enable to improve the tyre tread material design.

Les matériaux énergétiques sont, par définition, des matériaux susceptibles de dégager un volume important de gaz, en se décomposant via les phénomènes suivants : combustion, déflagration ou détonation. Ils sont notamment utilisés dans les secteurs industriels de l’automobile (déploiement d’airbag), du militaire (propulsion de missiles tactiques et stratégiques, munitions) et du spatial (boosters de lanceurs spatiaux type Ariane 5). La maîtrise de leur fabrication nécessite que soient vérifiées certaines contraintes spécifiques rencontrées lors de leur mise en œuvre dans un malaxeur bivis. En effet, ce procédé de malaxage en continu induit de fortes évolutions de gradients de pression et de cisaillement au sein du matériau énergétique (entrefers réduits...) qui peuvent initier les constituants fluides et solides. Par conséquent, dans un souci de parfaite maîtrise des risques industriels, les conditions tribologiques menant à l’initiation d’un matériau énergétique, ici le propergol, lors de sa fabrication, doivent être étudiées. Malheureusement, à cause de la confidentialité industrielle liée à ce secteur d’activité, la bibliographie de la tribologie des propergols est limitée. Il apparait toutefois que peu d’études portent effectivement sur le comportement tribologique du troisième corps, c’est à dire le propergol. Ce dernier étant hétérogène (mélange de constituants fluides et de solides), il est donc nécessaire d’appréhender les écoulements internes qui l’animent sous sollicitations tribologiques. Ainsi, pour reproduire les sollicitations mécaniques élémentaires (compression et cisaillement) appliquées par les deux premiers corps que sont les vis et le fourreau, et subies par le troisième corps lors du malaxage, il a été choisi d’utiliser une approche couplée expérimentale et numérique. Cette dernière s’organise autour de l’instrumentation d’un dispositif de sécurité permettant la sollicitation par frottement du propergol et de la modélisation par éléments discrets du triplet tribologique (parois supérieure et inférieure des premiers corps, et troisième corps). Il est ainsi apparu un comportement tribologique caractéristique du troisième corps : des ségrégations entre les constituants mènent à un arrangement selon trois couches superposées dans l’épaisseur du troisième corps. Ces ségrégations sont issues de la mise en place de débits internes, spécifiques à chaque nature et géométrie de constituants. Ces débits sélectionnent les constituants présents dans l’aire de contact et favorisent l’existence de conditions tribologiques favorables à l’initiation du troisième corps (assèchement de l’épaisseur, localisation des efforts appliqués au troisième corps ...). L’ensemble de ces débits permet de reconstituer un circuit tribologique d’initiation d’un propergol et ainsi d’envisager des solutions techniques permettant d’endiguer la mise en place des conditions défavorables à la fabrication en sécurité d’un propergol dans un malaxeur bivis. / By definition, energetic materials can deliver a huge amount of gas and cause different kinds of phenomena, such as: burning, deflagration or detonation. These materials are mainly used in the automotive industry (airbag deployment), military devices (missiles, ammunition) and space launchers (Ariane 5 boosters and pyrotechnic devices). The manufacturing process, although well controlled by the historical “batch” process, presents several challenges when it is transferred to the continuous mixing process, using a twin-screw mixer device. Indeed, this last device induces extreme evolutions of pressure gradients and shearing gradients (reduced air-gap...). Plus, the energetic material is composed of fluid components and different diameters of solid components that can ignite by shearing. Consequently, tribological conditions leading to the ignition of an energetic material, a solid propellant, are studied during its manufacturing in a twin-screw mixer. Unfortunately, because of the industrial confidentiality on solid propellants, the bibliography on the solid propellants tribology is limited. However it appears that too few studies have effectively dealt with the tribological behaviour of this third body. By nature, this last is a composite material; therefore it is necessary to understand internal flows that evolve from tribological stresses. Thus, a coupled approach experimental and numerical is chosen in order to reproduce the mechanical elementary stresses applied by the two first bodies (top of screw thread and bore of the barrel element), and undergone by the third body during its manufacturing in a twin-screw mixer (compression and shearing). This approach consists of the instrumentation of a security test that shears the solid propellant and a discrete element simulation of the tribological triplet (inferior and superior first bodies, and the third body). The distinctive tribological behaviour of this third body appears obvious: different types of component segregations lead to a three superposed layer arrangement of the solid propellant thickness. These segregations come from the creation of internal component flows, specific to the nature and the geometry of the third body components. These flows select the components that remain within the contact area and also establish the tribological conditions that favour the third body ignition (gradient of mobility between solid components, draining of the third body thickness, localization of the efforts applied to the third body…). Ultimately, this study rebuilds the ignition tribological circuit(s) of a solid propellant and offers technical solutions to prevent the materialisation of unfavourable conditions to a safe solid propellant manufacturing in a twin-screw mixer.

Grandes bague de roulement utilisés dans éolienne sont l'un des éléments de transmission de charge importantes de ces machines tournantes. Ces roulements fonctionnent grâce à des cycles de charge et de la fréquence et de l'expérience des défis complexes tribologiques sévères. Le coût de remplacement de ces paliers est très élevé et conduit aussi à quantité importante de temps d'arrêt. Il est donc important de comprendre certains des principaux problèmes de conception et tribologiques de ces roulements. Quatre points type de roulement de l'anneau de contact de rotation a été considéré comme une base de référence pour cette étude pour démontrer les questions de contact de troncature et d'échec de la cage pour les roulements de hauteur. Un palier de contact à deux points de remplacement est proposé d'éliminer le contact troncature et de réduire la force de la cage accumulation. Les méthodes de conception et d'analyse démontré dans cette étude peuvent être facilement étendus à lacet paliers ainsi que d'autres grands roulements utilisés dans l'industrie. / Large slewing ring bearings used in wind turbine are one of the important load transmitting elements of these rotating machines. These bearings operate through complex load and frequency cycles and experience severe tribological challenges. The cost of replacement of these bearings is very high and also leads to significant amount of down-time. It is therefore important to understand some of the major design and tribological issues in these bearings. Four-point contact slewing ring bearing type has been considered as a baseline for this study to demonstrate contact truncation and cage failure issues for pitch bearings. An alternate two-point contact bearing is proposed to eliminate contact truncation and reduce the cage force build-up. The design and analysis methods demonstrated in this study can be easily extended to yaw bearings as well as other large bearings used in the industry.

L’amélioration des turbomachines passe par l’augmentation de leurs vitesses de rotation et peut conduire leurs composants à se trouver en présence d’un régime d’écoulement supersonique, en particulier leurs systèmes de pivoterie à air. L’étude d’une butée aérodynamique en régime supersonique est traitée dans ce manuscrit et s’inscrit dans la continuité de la recherche sur les butées hautes vitesses mais qui n’a que très peu été abordée dans la littérature. Ce problème se trouve à la frontière entre deux domaines scientifiques : la lubrification et l’aérodynamique. L’enjeu ici est développer un modèle réaliste traduit par un code de calcul écrit en FORTRAN, capable de capturer les phénomènes liés au régime supersonique (choc, détente) et d’être adapté à la géométrie des films minces. Pour cela, deux modèles ont été développés et codés à l’aide de la méthode numérique des différences finies : les équations de Reynolds Modifiées et les équations de Navier-Stokes adaptées aux films minces. Ce premier modèle est une extension de l’équation de Reynolds généralisée, prenant en compte l’inertie et déjà utilisé dans des études de la lubrification. Le second modèle a été établi à partir des équations de Navier-Stokes et conserve leur forme. Ce système possède l’avantage de pouvoir utiliser les outils numériques adaptés à la capture de choc (WENO). La comparaison des deux modèles montre que les équations de Reynolds Modifiées ne sont pas suffisantes pour l’étude d’un écoulement film mince en régime supersonique. Les résultats des simulations menées montrent la présence d’une détente sur le changement d’inclinaison du double profil qui dépend de la vitesse, de la température et de l’angle de la géométrie. Cette détente, même dans des conditions sévères de fonctionnement (grandes vitesses ou fort convergent), n’a pas beaucoup d’influence sur le comportement global statique de la butée. Les résultats montrent également que contrairement à la théorie des écoulements supersoniques, aucun choc n’est observé en film mince supersonique. Une transition géométrique obtenue par homothétie, entre un écoulement contenant un choc et un autre n’en contenant pas, a été observée à une certaine valeur du rapport des longueurs d’adimensionnement pour une vitesse et une géométrie donnée. L’extrapolation de ces résultats pour un cas réaliste montre qu’un choc ne peut se produire qu’à partir de 5500 m/s pour une épaisseur de film de 40 μm avec epsilon = 0.001. Il est donc peu probable qu’un choc ne se produise dans une butée en conditions supersoniques dans le cadre industriel. / The improvement of turbomachines requires to increase their rotational speeds and can leads components to be in presence of a supersonic regime, particularly their air bearing systems. This manuscript deals with a study of an aerodynamic thrust bearing in a supersonic regime. This work belongs to the research field on the high-speed thrust bearings, but very few studies are focused on this subject. This problem is at the boundary between two scientific fields: lubrication and aerodynamic. The aim of this study is to develop models transcribed as a FORTRAN code, able to capture phenomenon related to the supersonic regime (shock, expansion wave) and adapted to the thin film geometry. For this, two models have been developed as well as computer codes related to these models using the finite difference method: the Modified Reynolds equations and the Navier-Stokes equations adapted to thin films. The first model is an extension of the generalized Reynolds equation, taking into account inertia effects. It is a model already used in lubrication studies. The second model was developed from the Navier-Stokes and has their shape. This system has the advantage of using numerical schemes for shock capturing (WENO). The comparison of the two models shows that the Modified Reynolds equations are not appropriate to the study of a supersonic air thin film. Numerical results show the presence of an expansion wave at the end of the sloping region of the tapper flat geometry which depends on speed, on temperature and on the angle of the geometry. This expansion wave, under severe conditions, does not have much influence on the overall static behavior of the thrust bearing. The results also show that, contrary to the supersonic flow theory, a shock is not observed in a supersonic thin film. A geometrical transition obtained by homothetic, between a flow containing a shock and another with no shock, is observed at a given value of the characteristic length ratio for a given speed and geometry. Extrapolation of these results for a realistic case shows that a shock occurs from 5500 m/s for a film thickness of 40 μm with epsilon = 0.001. It is therefore unlikely that a shock occurs in a supersonic thrust bearing in industrial settings.

En aéronautique, l’optimisation du fonctionnement des freins de roue nécessite qu’ils aient des comportements tribologiques qui décélèrent progressivement les aéronefs tout en maximisant l’endurance des freins. Ces comportements sont obtenus par le biais d’empilements de disques en composites carbone-carbone situés dans la jante de chaque roue qui, mis en contact par l’action d’une couronne hydraulique, transforment, emmagasinent puis restituent l’énergie de freinage. La jante, la couronne hydraulique (mécanisme), les disques (premiers corps) et le film intercalaire (troisième corps) constituent le triplet tribologique qui gouverne le freinage. Du fait du confinement du "contact" entre les disques d’une part, et entre les disques et la jante d’autre part, la compréhension locale des phénomènes énergétiques (conversions thermo-mécaniques) opérant pendant le freinage, nécessite un découplage des phénomènes tribologiques mis en jeu, en particulier au niveau de la "peau" des premiers corps et du troisième corps (échelle locale). Le découplage, difficile à établir expérimentalement, est réalisé dans cette étude par une modélisation numérique la plus réaliste possible des circuits tribologiques thermo-mécaniques activés (flux de matière et d’énergie). Cette dernière est obtenue en enrichissant la méthode des éléments discrets afin de prendre en compte les arrangements locaux des constituants des premiers et troisième corps. Ces enrichissements sont confrontés numériquement et expérimentalement, à l’aide d’une "boîte granulaire" instrumentée, puis exploités pour analyser les réponses thermo-mécaniques des premiers et troisième corps. Les analyses suggèrent qu’une "dégradation seuil" des premiers corps engendre des arrangements locaux aux comportements thermo-mécaniques singuliers, même si l’énergie globale appliquée (pression × vitesse) est constante. Par exemple, les constituants du troisième corps induisent des phénomènes conservatifs tels que la formation de "rouleaux thermiques" liée à la recirculation locale du troisième corps, et des phénomènes dissipatifs tels que la conduction de la chaleur par le biais des hétérogénéités (paquets de fibres) des premiers corps. Les arrangements locaux, les endommagements, ... peuvent être caractérisés par des mesures numériques de résistance thermique de contact qui résultent de la compétition entre des énergies à l’échelle locale et des énergies à l’échelle globale (mécanisme). Cette résistance permet de distinguer dans les bilans d’énergie thermo-mécaniques, en plus des phénomènes dissipatifs bien connus, les phénomènes conservatifs qui amènent le triplet tribologique vers un équilibre. Dans le cas du freinage, l’équilibre est conditionné par le choix des arrangements qui restreignent l’usure (phénomènes conservatifs), et de ceux qui maximisent l’évacuation de la chaleur hors du contact (phénomènes dissipatifs). / In aeronautics, optimizing the operation of wheel brakes requires tribological behaviors which gradually decelerate aircrafts while maximizing endurance brakes. These behaviors are obtained through stacks of carbon-carbon composite discs located in the rim of each wheel which, brought into contact by action of pistons housing, transform, store and restore the braking energy. Rim, pistons housing (mechanism), discs (first body) and the separating film (third body) constitute the tribological triplet governing braking. Due to confinement of the "contact" firstly between discs, and secondly between discs and rim, the local understanding of energetical phenomena (thermo-mechanical conversions) operating during braking, requires a decoupling of tribological phenomena, especially at the scale of "skins" of the first body and third body (local scale). Such decoupling, experimentally difficult to operate, is performed in this study by a more realistic numerical modeling of activated tribological thermo-mechanical circuits (matter and energy flows). The modeling is obtained by enriching a discrete element method in order to take into account the local arrangements of the first and third body constituents. These enhancements are numerically and experimentally compared, using a "granular box" instrumented and used to analyze thermo-mechanical responses of first and third bodies. Analyzes suggest that a "threshold degradation" of first body generates local arrangements to singular thermo-mechanical behavior, even if the global applied energy (pressure × speed) is constant. For example, constituents of third body induce conservative phenomena such as formation of "heat rollers" linked to local recirculation of third body, and dissipative phenomena such as heat conduction through heterogeneities (fiber bundles) of first body. Local arrangements, damaging, ... can be characterized by numerical measures of thermal contact resistance which result from competition between energies at local scale and energies at global scale (mechanism). This resistance becomes here a probe of local arrangements. It distinguishes in thermo-mechanical energy balances, in addition to well-known dissipative phenomena, the conservative phenomena that lead to the tribological triplet balance. In the case of braking, balance is determined by the choice of arrangements which restrict wear (conservative phenomena), and the ones they maximize evacuation of heat from the contact (dissipative phenomena).

Le fretting et l'usure sont des problèmes récurrents dans le domaine de l'aéronautique. Les contacts aube/disque au niveau du compresseur ou de la turbine haute pression des moteurs d'avion, par exemple, sont soumis à d'importantes sollicitations de fretting à de fortes températures. L'enjeu des industriels est d'optimiser la durée de vie de ces composants et d'être capable de prévoir l'amorçage de fissures. Afin d'améliorer la tenue des pièces, des revêtements sont utilisés pour les protéger. Leurs propriétés mécaniques et matériaux ont un impact direct sur le contact et la durée de vie. Les choix de matériaux, du nombre de couches, de l'épaisseur, de l'ordre sont donc primordiaux. De par leur composition (fibres, mono-cristaux), leur élaboration (extrusion) ou leur mode de déposition, l'hypothèse de considérer des matériaux homogènes isotropes s'avère trop réductrice. L'anisotropie est un paramètre important à prendre en compte au niveau du dimensionnement. Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'aé-ronautique. Dans cette optique, cette thèse a pour objectif l'étude du comportement des matériaux homogènes anisotropes, en s'intéressant à l'influence des principaux paramètres mécaniques caractéristiques d'un matériau afin de mieux appréhender leurs effets. On s'attardera sur le module de Young (ou module d'élasticité), le module de Coulomb (ou module de cisaillement) et le coefficient de Poisson, et leurs valeurs selon les différentes directions. Comme attendu, le module de Young dans la direction normale au contact joue un rôle prépondérant dans la détermination du profil de pression. Néanmoins, l'influence du module de Young dans le plan tangent au contact n'est pas à négliger, il modifie aussi la forme de l'aire de contact. L'orientation du matériau par rapport au contact est par conséquent un paramètre à prendre en considération, il peut directement atténuer ou accentuer l'effet du module de Young dans une direction priviligiée. Les module de Coulomb et coefficient de Poisson ont aussi été analysés. Il en résulte qu'ils influent significativement sur le contact. Ces résultats se confirment dans le cas d'un massif revêtu, à la différence que les effets du revêtement et du substrat peuvent se compenser. L'impact des propriétés du revêtement sera d'autant plus important que celui-ci sera épais. L'échelle du contact par rapport aux matériaux utilisés importe aussi sur les profils de pression. Une comparaison entre le modèle anisotrope homogène et un modèle isotrope hétérogène a été réalisée. A l'échelle mesoscopique, le composite est composé d'une matrice avec des fibres qui induisent des pics de pression alors qu'à l'échelle macroscopique, le matériau composite est perçu comme un matériau homogène, les profils de pression sont lissés. / Fretting and wear are recurrent problems in the field of aeronautics. Contacts the blade / disk at the compressor or high-pressure turbine aircraft engines, for example, are subjected to high stresses at high temperatures. The challenge for manufacturers is to maximize the lifetime of these components and be able to predict crack initiation. To improve handling parts, coatings are used to protect them. Materials and their mechanical properties have a direct impact on the contact and the lifetime. The choice of materials, number of layers, the thickness of the order are therefore essential. By their composition (fibers, single crystals), elaboration (extrusion) or their mode of deposition, the hypothesis to consider homogeneous isotropic materials is too simplistic. Anisotropy is an important parameter to take into account in the design. Composite materials are increasingly used in the aeronautic. In this context, this thesis aims to study the behavior of anisotropic homogeneous materials, focusing on the influence of the main parameters mechanical characteristics of a material to better understand their effects. We focus on the Young's modulus (or modulus of elasticity), the module Coulomb (or shear modulus) and the Poisson's ratio, and values ​​in different directions. As expected, the Young's modulus in the direction normal to the contact plays an important role in determining the pressure profile. However, the influence of Young modulus in the plane tangent to the contact is not to neglect it also alters the shape of the contact area. The orientation of the material with respect to the contact is therefore a parameter to take into consideration, it can directly reduce or enhance the effect of Young's modulus in a direction privileged. The module Coulomb and Poisson's ratio were also analyzed. As a result they significantly affect the contact. These results are confirmed in the case of a coated solid, unlike the effects of coating and substrate can compensate. The impact properties of the coating will be even more important than it is thick. The scale of the contact relative to the materials used is also important on the pressure profiles. A comparison between the model anisotropic homogeneous and isotropic heterogeneous model have been performed. At mesoscopic scale, the composite is composed of a matrix with fibers that induce pressure peaks while at the macroscopic level, the composite material is seen as a homogeneous material, the pressure profiles are smoothed.

Ce travail s’attardera sur deux types de dégradation par fretting, l’usure et l’endommagement par dégradation des propriétés matériaux. Une loi d’usure énergétique sera utilisée pour quantifier l’usure en glissement total d’un contact revêtu. Un modèle d’endommagement basé sur le concept de la déformation équivalente sera utilisé pour étudier l’évolution de l’endommagement dans un contact revêtu. L’analyse d’un problème de contact requiert un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Dès lors des simulations d’usure et d’endommagement cyclique peuvent être réalisées en un temps court. Pour atteindre cet objectif, un code de contact basé sur une méthode semi-analytique est utilisé. Des solutions analytiques élémentaires permettent de relier les sollicitations normales et tangentielles aux déplacements élastiques résultants des surfaces en contact. Ces déplacements élastiques sont alors exprimés par un double produit de convolution discret entre des coefficients d’influence et les sollicitations dans le contact. La prise en compte d’un revêtement nécessite l’intégration d’un modèle d’homogénéisation dans le code de contact. Une technique d’enrichissement via la méthode de l’inclusion équivalente d’Eshelby, dans laquelle la contribution d’une ou plusieurs inclusions est superposée à la solution en élasticité, est utilisée. Le modèle de comportement revêtement/substrat peut être validé par comparaison avec les résultats obtenus avec un modèle basé sur les techniques Multigrille. La loi d’usure est ensuite implémentée, et une simulation d’usure est alors entreprise. Des simulations d’usure sont effectuées pour un contact poinçon-plan en glissement total. Les résultats numériques d’usure sont comparés à des essais antérieurs effectués par le LTDS. Pour l’endommagement, des calculs analytiques sont premièrement effectués permettant d’analyser le comportement endommageable sous chargement cyclique uniaxial. Le modèle de Mazars est ensuite adapté au problème de contact et implémenté ; des simulations sont alors menées pour étudier le comportement élasto-endommageable du contact sous chargement de fretting. / This work will focus on two types of degradation by fretting, wear and damage by degradation of materials properties. An energy wear law will be used to quantify the wear of a coated contact under gross slip conditions. A damage model based on the concept of equivalent strain will be used to study the damage evolution in a coated contact. Analysis of a contact problem requires a robust and fast computation tool. Therefore cyclic wear and cyclic damage simulations can be performed in a short time. To achieve this objective, a contact code based on a semi-analytic method is used. Elementary analytical solutions allow to link the normal and tangential stresses to elastic displacements resulting of the contacting surfaces. These elastic displacements are then expressed by a double product of discrete convolution between the coefficients of influence and solicitations in the contact. The consideration of coating requires the integration of a homogenization model in the contact code. An enrichment technique via the equivalent inclusion method of Eshelby, in which the contribution of one or more inclusions is superposed on the elastic solution, is used. The coating / substrate behavior model can be validated by comparison with results obtained with a model based on the Multigrid techniques. The wear law is then implemented and a wear simulation can now be conducted. Wear simulations are performed for a punch-plane contact under gross slip conditions. Numerical wear results are compared to wear-fretting test conducted by the LTDS. For damage, analytical calculations are first performed to analyze the endommageable behavior under uniaxial cyclic loading. Mazars model is then adapted to the contact problem and implemented. Simulations are then conducted to study the behavior of elastic-damageable contact under fretting loading.

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.

La compréhension et la modélisation d'un contact lubrifié en présence de texturation nécessitent une description physique très fine pour comprendre les analyses contradictoires et pour expliquer les résultats très différents en termes de performance présentes dans la littérature internationale. De nombreuses études théoriques et expérimentales ont montré que la texturation des surfaces pourrait améliorer les caractéristiques tribologiques des contacts. La capacité de charge, le coefficient de frottement et la résistance à l'usure sont les principales caractéristiques susceptibles d'être améliorées. La texturation de surface fait appel à de nombreux paramètres géométriques, qui peuvent agir de façon très différente selon le contact. Enfin, les phénomènes supposés expliquer l'apport de la texturation ne font pas l'unanimité dans la communauté scientifique. Ainsi, les différentes contradictions font que ce domaine de recherche est en pleine évolution.Dans ce contexte scientifique, l'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et numérique approfondie, vers une meilleure compréhension des effets induits par la texturation dans un contact lubrifié. Les paramètres géométriques, essentiels par rapport aux phénomènes physiques générés, font l'objet d'une analyse étendue. Les éléments théoriques obtenus à travers cette étude permettront une optimisation opérationnelle de tous types de dispositifs fonctionnant dans un milieu lubrifié. Parmi ces nombreuses applications, la butée en régime hydrodynamique a été choisie afin d'illustrer la pertinence des résultats de nos recherches. / Understanding and modeling a lubricated contact in the presence of surface textures requires a refined physical description in order to comprehend and explain the contradicting results that are currently presented in international literature. An increasing number of theoretical and experimental studies have shown that surface texturing could improve the tribological properties of lubricated or even dry contacts. The load-carrying capacity, the friction coefficient or the wear resistance are the main characteristics that can be improved through texturing. Nevertheless, the lubrication mechanisms that might explain these effects are still the subject of debate within the scientific community. These various contradictions have lead to a significant development of this particular field of research. In this scientific context, the main objective of this thesis is to lead, by means of a thorough numerical and theoretical analysis, towards a better understanding of the physical effects induced by surface texturing in lubricated contacts. The geometrical parameters, which are essential with regard to the generated effects, are submitted to a detailed investigation that also takes into account the influence of the operating conditions (surface speed, viscosity, ambient pressure etc.). The theoretical conclusions obtained throughout this investigation should lead to an improvement in texture design and should allow an optimization of most devices operating in lubricated conditions. Among these various applications, the hydrodynamic thrust bearing has been chosen in order to illustrate the relevance of our findings.