Lors du fonctionnement d'un turboréacteur, la rotation de l'axe du moteur induit une force centrifuge qui plaque les aubes contre les alvéoles du disque, le long de surfaces appelées « portées ». Au cours de la vie du moteur, des micro-glissements (« fretting ») sont générés au niveau des portées. Ce travail de thèse s'intéresse aux endommagements de type oligocyclique des portées aube/ disque du compresseur Haute Pression (HP) d'un turboréacteur civil. Afin de réduire le frottement et de protéger les pièces, les portées des aubes sont revêtues d'un dépôt épais de CuNiln sur lequel est appliqué un lubrifiant solide. Le système est soumis à des pressions fortes (600MPa) et à des températures élevées (500°C). Des expertises sur pièces ont permis d'identifier des usures importantes et des phénomènes de transfert. Pour simuler expérimentalement le contact, un moyen d'essai de fretting usure en température a été développé dans le cadre de cette thèse. A partir d'une géométrie de contact échelle 1 simplifiée, choisie pour représenter les champs de chargement moteur, le domaine des sollicitations a été balayé et les comportements tribologiques identifiés et caractérisés. L'étude tribologique a permis de mettre en évidence l'influence forte de la force normale sur les mécanismes d'endommagements, dont les scénarios de mise en place ont pu être explicités pour les deux domaines majeurs de sollicitations. Dans un deuxième temps, les endommagements ont été étudiés d'un point de vue physicochimique et le rôle tribochimique joué par les éléments environnementaux (0, N ... ) a été mis en évidence. Pour finir, la comparaison directe des mécanismes identifiés sur banc expérimental et sur le système industriel a permis d'aborder, d'un point de vue critique, l'importance des paramètres choisis pour les équivalences expérience / système industriel ; et de la dynamique de chargement pour garantir la représentativité d'un essai à l'échelle laboratoire. / In the blade/ disk contact of aero-engines, movements induced by the engine regime changes may lead to critical wear. In order to limit friction and protect components, motorists usually use a thick and soft CuNiin layer (150 !-lm) covered with a lubricant. This system is subjected to high contact pressure (upto 600 MPa) and high temperatures (up to 500 °C). In service observations of engine parts revealed significant wear and transfer phenomena. An experimental layout was designed to perform fretting wear tests in temperature on a punch/plane contact, representative of engine solicitation. Based on the tribological study performed, specified gradation mechanisms were identified and the evidence of a pressure threshold was demonstrated. Physicochemical analyses performed confirmed the role played by environment (0, N ... ) in fretting wear mechanisms and suggest that the tribochemical effects should be considered in the fretting wear models. Direct comparisons between degradation mechanisms identified on the experimental system, and on industrial parts, allow a critical review of parameters chosen to simulate the contact. Finally, the impact of loading dynamics was investigated in order to improve tests representativity at la bora tory scale.

La pompe de gavage ou pompe à carburant est un organe auxiliaire nécessaire au bon fonctionnement d’un véhicule. Elle permet d’acheminer le carburant du réservoir vers les systèmes d’injections du moteur. Cette pompe, constituée d’un moteur électrique entraînant une turbine, permet la mise en mouvement du carburant. Le passage du courant est assuré entre le stator et le rotor par le biais du contact frottant entre deux balais fixes et un collecteur tournant en composite graphite/polymère, immergé en milieu carburant. Ces travaux ont pour but de contribuer à la compréhension de ce contact glissant électrifié immergé. Un tribomètre spécifique a été développé afin de tester différents couples de matériaux balais-collecteur dans des conditions mécaniques, électriques et physico-chimiques variées, tout en mesurant l’usure, l’effort de frottement et la résistance électrique du double contact. De nouvelles nuances de matériaux carbonés s’adaptant aux contraintes chimiques des nouveaux biocarburants présents sur le marché automobile ont été testées et ont mis en évidence différents comportements tribologiques. L’usure observée est principalement due au passage du courant sous forme d’arcs électriques modifiant ainsi la topographie des surfaces. Deux endommagements distincts sont visibles : le cratère et la bosse dont les volumes augmentent avec l’énergie développée par l’arc et sont reliés à la présence subsurfacique de polymère. A partir de ces conclusions expérimentales, un modèle phénoménologique du comportement à l’usure a été proposé. Il permet d’apporter une aide à la compréhension des mécanismes complexes et nombreux, présents dans le frottement des balais et du collecteur. / The fuel pump, an automotive part, is used to transfer the fuel from the tank to the engine injection systems. This pump consists of an electric motor driving a turbine: this induces the fuel flow. The current flow is realized between the stator and the rotor thanks to the friction of two fixed brushes against a slip ring. All elements are made of graphite/polymer composites and are immersed into fuel. The aim of this work is to contribute to the understanding of immersed electrical sliding contacts. A specific tribometer was developed in order to mimic the fuel pump. It allows simultaneous measurement of friction forces, wear and electrical contact resistance for various mechanical, electrical and physicochemical conditions. New carbonaceous materials, specifically designed for new biofuel, exhibited different tribological behaviour. The wear observed is mainly due to the current flow, electrical arcs in particular, which modifies the surface topography. Two kinds of damage were depicted: craters and bumps whose volume increases with the arc-produced energy as a function of the presence of polymer at the vicinity of the surface. Issued from these experimental results, a phenomenological model of the wear behaviour was proposed. It brings new insights into the complex and numerous mechanisms occurring during the friction of the brushes and commutator.

L’introduction massive des alliages de titane pour les pièces de structures aéronautiques a soulevé de nouvelles problématiques d’usinage. Du fait que les matériaux réfractaires présentent de faibles propriétés thermiques leur mise en forme par usinage à sec est difficile. L’objectif industriel est d’améliorer la productivité de l’usinage des alliages de titane afin d’en réduire les coûts. Des travaux concernant la coupe du Ti6Al4V α+β, du Ti54M et du Ti6Al4V traité β ont été réalisés pour mettre en évidence les différences d’usinabilité entre ces trois matériaux. Ces travaux mettent en avant une forte influence du comportement orthotrope et de l’hétérogénéité de la microstructure lamellaire, ainsi que de la taille des grains du Ti6Al4V traité β sur la mise en forme par coupe. L’étude sur l’usure des outils par diffusion montre que le principal élément de diffusion est le titane et que par conséquent aucune différence n’est observée entre les trois matériaux. Pour confirmer que la diffusion est le mode d’usure principal, des essais de perçage instrumentés avec un système de mesure de température sans fil ont été effectués. Les températures à l’arrière de l’arête de coupe atteignent des températures supérieures à 500°C pour de faibles vitesses de coupe. A cette température le phénomène de diffusion est thermiquement activé et confirme les hypothèses évoquées précédemment. Enfin, pour avoir une compréhension des différences d’usinabilité mises en évidence lors des travaux expérimentaux, une recherche sur le comportement des matériaux (Johnson-Cook) et la mise en place d’une simulation numérique ont été réalisées. Les simulations réalisées à l’aide des lois de comportement identifiées précédemment modélisent précisément l’usinage du Ti6Al4V α+β et du Ti54M. L’hétérogénéité du Ti6Al4V traité β ne permet pas une bonne modélisation de la formation du copeau. Une modélisation polycristalline serait plus adaptée. / The massive introduction of titanium alloys onto the aeronautical structures parts has raised new problems in the machining process. Because of their low thermal properties (refractory materials), they are considered as difficult to cut material. The industrial aim is therefore to improve the productivity of the titanium alloy’s machining and to reduce their costs. Some research on Ti6Al4V α + β, Ti54M and β-treated Ti6Al4V cutting was carried out to point out machinability’s differences between these three materials. This work highlights a strong influence of the orthotropic behavior and the heterogeneity of the lamellar microstructure as well as the grain size of the β-treated Ti6Al4V on cutting. The study on the tool wear diffusion shows that the main diffusion element is titanium and therefore no difference is observed between those three materials. To check that diffusion is the main wear mode, instrumented drilling tests with a wireless temperature measurement device were performed. Temperatures behind the cutting edge reach temperatures above 500 °C for low cutting speeds. At this temperature the phenomenon of diffusion is thermally activated. Finally, in order to have an understanding of the machinability consistencies, a research on the materials’ behavior (Johnson-Cook) and the implementation of a numerical simulation were realized. The simulations carried out, using the previously identified behavior’s laws, model precisely the machining of the Ti6Al4V α+β and Ti54M. The heterogeneity of the β-treated Ti6Al4V does not allow a good modeling of the chip formation. Polycrystalline modeling would be more appropriate.

Cette recherche est basée sur l’étude de deux niveaux d’endommagements de la connexion implantaire : en premier lieu, l’usure liée aux différents cycles d’insertion/désinsertion nécessaire à l’élaboration d’une prothèse sur des échantillons implantaires ; et d’autre part, les endommagements au cours du temps, réalisés à l’aide d’une étude par fretting-corrosion en salive humaine. Lors des différents cycles de serrage/desserrage, des endommagements sur l’ensemble des composants sont présents. La vis implantaire, qui concentre la majorité des complications thérapeutiques, doit être renouvelée après 20 cycles de serrage maximum. L’utilisation de vis de laboratoire permet ainsi de limiter les dégradations sur cette dernière et d’optimiser la valeur de précontrainte lors du serrage d’usage. Lorsque la prothèse est mise en service, les endommagements sont principalement liés à des usures par tribocorrosion. Ce phénomène est à l’origine d’usure synergique et engendre une modification de la microstructure en regard des surfaces frottée / This research based on the study of two levels of damage focused on the implant connection: firstly, the wear associated with the opening/closing cycle dedicated to the manufacturing process; secondly, the damage over the time, that is a fretting-corrosion study of dental implants in human saliva. During the tightening/loosening cycles, damage to all the components is present. The screws that include the majority of the complications have to be changed after 20 tightening cycles. The use of laboratory screws limits the damage and optimizes the preload value. When the prosthesis and the implant are assemblies, the damage appears thanks to fretting/corrosion (tribocorrosion) behavior. This phenomenon does involve synergistic wear and a modification of the microstructure on the fretting surfaces

Ce mémoire présente une analyse de la réponse tribologique d’un contact cylindre/plan soumis à des sollicitations de fretting sous chargement complexe, à savoir une sollicitation normale de force sinusoïdale et une sollicitation tangentielle de déplacement sinusoïdal, toutes deux possiblement sujettes à des fluctuations d'amplitude, de fréquence et de déphasage entre sollicitations. On s'intéresse plus particulièrement à l’usure des guides de grappe en 304L par les crayons en 316L nitrurés, induite par les vibrations de l’écoulement du fluide primaire dans les réacteurs nucléaires.L’étude expérimentale menée dans un environnement non représentatif mais très simple, à savoir un milieu sec et à l'ambiante, montre une usure non négligeable des deux contre-corps ce qui révèle les propriétés fragiles du tube nitruré dans cet environnement. Une très forte dépendance des faciès d’usure avec l’amplitude de glissement est notée. Seule la cinétique d’usure du tube nitruré est influencée par l'évolution de la charge normale. Aussi, une description analytique de l’énergie de frottement est développée, en prenant compte de l’ensemble des paramètres de chargement.En solution aqueuse lithium-bore, choix de milieu un peu plus représentatif mais en restant néanmoins à l'ambiante, seul le plan en acier 304L s’use, le cylindre en acier 316L nitruré n’étant pas sujet à de l'usure détectable. Un couplage avec des phénomènes corrosifs est proposé. En fretting simple, le confinement du contact augmente localement la valeur du pH et l’analyse de l’influence de la fréquence de fretting suggère que seule la couche passive est usée entre chaque glissement. Sous chargement complexe, la fluctuation de la charge normale permet une meilleure accessibilité de la solution dans l’interface frottée, augmentant localement les effets tribocorrosifs. Une loi d’usure multiplicative prenant en compte les différents effets de fluctuation des sollicitations est introduite et sa stabilité est vérifiée.Un modèle de calculs par éléments finis permet de simuler les profils d’usure en fretting simple et aussi en présence de force normale variable. En fretting simple, les résultats de simulation d'essais où seul le plan 304L s'use sont satisfaisants. En revanche, la non-superposition des profils expérimentaux et numériques lorsque la force normale fluctue confirme la présence de phénomènes physiques dans l'interface non encore représentés dans l'outil numérique. / This PhD thesis presents an analysis of the fretting wear of a cylinder/plane contact subject to complex loading conditions, namely a normal sinusoidal force solicitation and a tangential sinusoidal displacement, both possibly subject to fluctuations in amplitude, frequency and phase shift between signals. The purpose of this work is to study the wear of 304L cluster guides by nitrided 316L rods due to flow-induced vibrations of primary fluid in nuclear reactors.Firstly, the experimental study conducted in a dry and ambient temperature - a non-representative but very simple environment - shows significant wear of both counter-bodies, which reveals the fragile properties of the nitrided tube in this environment. A very strong dependence of the fretting scar morphology with the sliding amplitude is noted. Only the wear kinetics of the nitrided tube is influenced by the evolution of the normal load. Also, an analytical description of friction energy is developed, taking into account all loading parameters.In a second hand, in aqueous lithium-boron solution, a slightly more representative choice of medium but still remaining in the ambient, only the 304L steel plane wears out, the 316L nitrided steel cylinder is not subject to detectable wear. A coupling with corrosive phenomena is proposed. In simple fretting, contact confinement locally increases the pH value. Moreover, the analysis of the influence of the fretting frequency suggests that only the passive layer is worn between each slip. Under complex loading, the fluctuation of the normal load allows a better accessibility of the solution in the rubbed interface, increasing locally the tribocorrosive effects. A multiplicative wear law taking into account the various effects of normal force fluctuation is introduced and its stability is checked.Finally a finite element calculation model is used to simulate wear profiles in simple fretting and also in the presence of variable normal force. Only cases where the plan wears out (lithium-boron environment) have been simulated. In simple fretting, test simulation results are satisfactory. On the other hand, the non-superposition of the experimental and numerical profiles when the normal force fluctuates, confirms the presence of physical phenomena in the interface which are not yet represented in the numerical tool.

L'étude proposée traite de la compréhension des mécanismes d'endommagement des outils carbure dans le cas de l'usinage à sec d'un alliage d'aluminium aéronautique (AA2024 T351). Elle a pour but de déterminer les différents paramètres tribologiques de l'interface outil-copeau (frottement, température, pression) et de les confronter aux différents modes d'usure. Une modélisation du contact entre le copeau et l'outil basée sur les propriétés viscoplastiques de l'écoulement du matériau est d'abord proposée. Elle permet d'établir les relations qui existent entre la géométrie du copeau (angle de cisaillement), les contraintes appliquées sur l'outil, le coefficient de frottement et la vitesse de glissement du copeau au voisinage de la pointe de l'outil. Le modèle analytique est alors employé pour déterminer la nature du contact (collant, glissant) et calculer la vitesse de glissement. Pour déterminer la température et la pression de contact, un dispositif d'étude basé sur l'observation expérimentale de la formation du copeau (caméra vidéo rapide, mesure des efforts, calcul de flux thermique) et la simulation numérique par la méthode des éléments finis est ensuite mis en place. La caractérisation physico-chimique réalisée à l'aide de techniques complémentaires d'analyse de surface (MEB, EDS, AES, profilométrie optique) a permis d'identifier clairement les différents types d'endommagement. Ils se traduisent par la formation d'arêtes rapportées et de couches adhérentes (couches de transfert formées par extrusion de précipités) ainsi que par la fragilisation de l'outil provoqué par la diffusion de certaines espèces chimiques du copeau vers l'outil. Grâce à la démarche proposée, il est possible de relier ces différents modes d'endommagement aux conditions de contact existant à l'interface outil-copeau.

Le 32CrMoV13 nitruré est un matériau à gradient de propriétés utilisé pour la réalisation de bagues de roulements aéronautiques. Il présente l'avantage d'être dur en surface et ductile à cœur, facilitant ainsi la lutte contre les effets de la pollution des contacts par les lubrifiants. De plus, afin d'améliorer les performances des roulements, la tendance est à l'utilisation de céramique (nitrure de silicium Si3N4) pour les éléments roulants à la place de l'acier (M50). Ainsi, le travail de thèse proposé ici est l'étude du comportement en fatigue de contact en présence d'indentations pour deux couples de matériaux (32CrMoV13 nitruré / M50 et 32CrMoV13 nitruré / Si3N4). Ce comportement est principalement orienté en terme de durée de vie du contact indenté par l'intermédiaire d'un critère d'amorçage de fissures. Une étude des propriétés mécaniques du 32CrMoV13 nitruré, nécessaires à l'application du critère, a été réalisée. La loi d'écrouissage et l'ouverture micro-plastique cyclique de la couche nitrurée du 32CrMoV13 nitruré ont été identifiées. Puis, par l'intermédiaire de défauts géométrique de type trous cylindriques, les propriétés d'amorçage de fissures ont été étudiées lors d'essais de compression uniaxiale. Le comportement en fatigue de contact en présence d'indentations a été étudié sur machine bi-disques. Ces essais ont permis de caractériser la différence de comportement du 32CrMoV13 nitruré, et indenté, dans un contact acier / acier et acier / céramique. L'effet du glissement a notamment été mis en évidence. Ces études expérimentales ont été couplées avec des simulations numériques afin d'étalonner le modèle physique d'amorçage de fissures et d'en valider sa bonne représentativité. En conclusion un modèle de prédiction de durée de vie en fatigue de roulement a été proposé. Il est particulièrement adapté aux cas où des contraintes résiduelles sont présentes, par exemple suite à l'indentation des surfaces. Le modèle s'appuie sur la caractérisation mécanique des couches traitées thermo-chimiquement de l'acier 32CrMoV13 nitruré.

La pompe de gavage ou pompe à carburant est un organe auxiliaire nécessaire au bon fonctionnement d'un véhicule. Elle permet d'acheminer le carburant du réservoir vers les systèmes d'injections du moteur. Cette pompe, constituée d'un moteur électrique entraînant une turbine, permet la mise en mouvement du carburant. Le passage du courant est assuré entre le stator et le rotor par le biais du contact frottant entre deux balais fixes et un collecteur tournant en composite graphite/polymère, immergé en milieu carburant. Ces travaux ont pour but de contribuer à la compréhension de ce contact glissant électrifié immergé. Un tribomètre spécifique a été développé afin de tester différents couples de matériaux balais-collecteur dans des conditions mécaniques, électriques et physico-chimiques variées, tout en mesurant l'usure, l'effort de frottement et la résistance électrique du double contact. De nouvelles nuances de matériaux carbonés s'adaptant aux contraintes chimiques des nouveaux biocarburants présents sur le marché automobile ont été testées et ont mis en évidence différents comportements tribologiques. L'usure observée est principalement due au passage du courant sous forme d'arcs électriques modifiant ainsi la topographie des surfaces. Deux endommagements distincts sont visibles : le cratère et la bosse dont les volumes augmentent avec l'énergie développée par l'arc et sont reliés à la présence subsurfacique de polymère. A partir de ces conclusions expérimentales, un modèle phénoménologique du comportement à l'usure a été proposé. Il permet d'apporter une aide à la compréhension des mécanismes complexes et nombreux, présents dans le frottement des balais et du collecteur.

Lors du fonctionnement d'un turboréacteur, la rotation de l'axe du moteur induit une force centrifuge qui plaque les aubes contre les alvéoles du disque, le long de surfaces appelées " portées ". Au cours de la vie du moteur, des micro-glissements (" fretting ") sont générés au niveau des portées. Ce travail de thèse s'intéresse aux endommagements de type oligocyclique des portées aube/ disque du compresseur Haute Pression (HP) d'un turboréacteur civil. Afin de réduire le frottement et de protéger les pièces, les portées des aubes sont revêtues d'un dépôt épais de CuNiln sur lequel est appliqué un lubrifiant solide. Le système est soumis à des pressions fortes (600MPa) et à des températures élevées (500°C). Des expertises sur pièces ont permis d'identifier des usures importantes et des phénomènes de transfert. Pour simuler expérimentalement le contact, un moyen d'essai de fretting usure en température a été développé dans le cadre de cette thèse. A partir d'une géométrie de contact échelle 1 simplifiée, choisie pour représenter les champs de chargement moteur, le domaine des sollicitations a été balayé et les comportements tribologiques identifiés et caractérisés. L'étude tribologique a permis de mettre en évidence l'influence forte de la force normale sur les mécanismes d'endommagements, dont les scénarios de mise en place ont pu être explicités pour les deux domaines majeurs de sollicitations. Dans un deuxième temps, les endommagements ont été étudiés d'un point de vue physicochimique et le rôle tribochimique joué par les éléments environnementaux (0, N ... ) a été mis en évidence. Pour finir, la comparaison directe des mécanismes identifiés sur banc expérimental et sur le système industriel a permis d'aborder, d'un point de vue critique, l'importance des paramètres choisis pour les équivalences expérience / système industriel ; et de la dynamique de chargement pour garantir la représentativité d'un essai à l'échelle laboratoire.

Cette étude porte sur l'usinage de l'alliage de titane Ti17 avec une assistance jet d'eau haute pression. Une attention particulière a été portée à l'analyse des mécanismes de dégradation et d'usure des outils lors de l'usinage avec et sans assistance. Le suivi de l'usure est réalisé par des observations régulières au microscope électronique à balayage (MEB) et par des analyses chimiques (technique EDS) afin de déterminer les zones de dépôt de matière sur l'outil. Toutes ces observations ont permis d'expliquer les mécanismes d'usure pour une opération d'ébauche et de finition. Il a été montré que les mécanismes d'usure sont différents entre l'usinage conventionnel et l'usinage assisté. En effet, lors de l'assistance jet d'eau haute pression, certains mécanismes ne sont plus activités mais d'autres mécanismes sont accélérés. Il existe donc une pression de jet d'eau optimale pour minimiser l'usure de l'outil.Afin de mettre en évidence l'effet du jet d'eau sur les phénomènes thermomécaniques dans les zones de formation du copeau, une modélisation par éléments finis est réalisée. Un couplage fluide / structure a dû être mis en place afin de prendre en compte les actions mécaniques et thermiques du jet d'eau sur la zone de coupe. Pour cela, la loi de comportement et le modèle d'endommagement de Johnson-Cook, ont été identifiés pour le Ti17 dans des conditions extrêmes sur une large gamme de températures et de vitesses de déformation. Cette modélisation a permis de mettre en évidence, pour l'usinage assisté haute pression, la diminution de la zone de contact outil/copeau, de retrouver la fragmentation du copeau et de quantifier le refroidissement des différentes zones de cisaillement.En revanche, cette modélisation ne permet pas de connaître l'effet de l'hétérogénéité microstructurale du matériau sur la zone de coupe. Ce constat est d'autant plus important que le matériau étudié présente une taille de grain importante (de l'ordre du millimètre). Pour cela, une nouvelle modélisation (multi-échelle) a été développée afin de prendre en compte la microstructure du matériau. Le matériau est donc modélisé comme un polycristal qui prend en compte des lois de la plasticité cristalline. Cette nouvelle approche permet alors de simuler la formation du copeau en prenant en compte les orientations cristallines des grains et les changements de phase qui apparaissent lors de l'usinage.