L’excellente biocompatibilité et les remarquables propriétés mécaniques font des biocéramiques une des meilleures options pour les prothèses totales de hanche (PTH). Jusqu’à récemment, le seul dispositif qui permettait d’estimer la durée de vie des PTH était le simulateur de marche. Les PTH ne sont pas uniquement sollicitées en fatigue mais aussi en chocs. Dans ce travail nous avons évalué la durabilité des prothèses de hanche en biocéramique testées sur une machine de chocs. Deux couples tête/cupule ont été testés : alumine/alumine et composite alumine-zircone/alumine. Les essais se sont déroulés à sec et en solution avec une inclinaison de 45° qui correspond à la position anatomique standard de cette articulation. Des bandes d’usure apparaissent sur la tête. Leur localisation et leur rugosité sont similaires à celles retrouvées ex vivo. La machine de chocs reproduit les mécanismes de dégradation des PTH in vivo. L’influence du vieillissement sur la résistance aux chocs a été étudiée. Afin de mieux comprendre la transformation de phase in vivo de la zircone, une grande série d’explants a été analysée. Aucune corrélation entre la transformation de phase et l’augmentation de la rugosité n’a été observée. La transformation de phase de la zircone serait liée aux processus de fabrication (polissage, usinage..). Ce travail constitue une base de données pour les couples zircone/UHMWPE. De la même façon, l’analyse d’explants composites permettrait de valider nos résultats in vitro pour les composites. / Because of the excellent biocompatibility and great mechanical properties, bioceramics are the best choice for total hip replacement (THR). When hip is replaced, a microseparation could appear between the head and the cup leading to a shock limiting the lifetime of ceramics. Classic tests on hip simulator partly allow estimating the lifetime of ceramics.Ceramics materials are subjected to shocks. In this work we evaluated the reliability of bioceramics for hip replacement tested in a shock machine. Two bearing surfaces were studied (head/cup): alumina/alumina and composite alumina-zirconia/alumina. Tests were carried out in dry and in solution with an inclination of 45° to respect the standard anatomical position. Femoral heads exhibited two wear stripes of similar location and roughness to those found ex vivo. Shock device reproduces in vivo degradation. The influence of aging on the shocks degradation was also studied for composites alumina-zirconia. Artificial ageing did not affect the shock-induced wear resistance. Further analysis of retrieved composite would be interesting for comparison of experimental results.Also, ex vivo analyses were made. A large number of retrieved zirconia femoral heads were analyzed in order to understand the phase transformation of zirconia in vivo. Any correlation between the phase transformation and the increase in roughness was found. We might suggest that phase transformation is activated during the fabrication process (sintering, polishing, machining) and is not accelerated in vivo.

Le but de ce travail est de développer et de caractériser une nouvelle génération de revêtements multicouches anti-usure et anticorrosif à base de nitrure de chrome. A cause des conditions de sollicitations sévères auxquelles les outils de coupe sont soumis en plus des enjeux environnementaux liés à l’utilisation des fluides de coupe lors de l’usinage du bois, les monocouches qui constituent notre système multicouches doivent présenter des caractéristiques spécifiques. De ce fait, des couches minces de Cr, CrN et CrAlN ont été déposées sur un acier à outils de coupe du bois et sur des substrats de siliciums par pulvérisation magnétron réactive DC. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps à optimiser les monocouches. Ensuite, ces revêtements ont été associés pour élaborer des multicouches Cr/CrN/CrAlN qui ont alors été caractérisées. Nous avons étudié les propriétés physico-chimiques, mécaniques, tribologiques et le comportement à la corrosion de différents revêtements multicouches. Les résultats obtenus indiquent que l’application d’un revêtement multicouches pouvait apporter des améliorations considérables à la résistance à l’usure et à la corrosion des outils de coupe du bois. / The aim of this study was to develop and characterize a new generation of wear and corrosion resistant multilayers Cr-N based coatings. Due to the severe conditions that wood cutting tools are subjected in addition to the environmental issue associated with the use of cutting fluids during wood machining, the monolayers that constitute our multilayers system must have specific characteristics. As a result, thin layers of Cr, CrN and CrAlN have been deposited on wood cutting tools steel and silicon substrates by DC reactive magnetron sputtering to be optimized. Then, the optimal monolayerscoatings were combined to develop the Cr/CrN/CrAlN multilayers. that were characterized to determine their physicochemical, mechanical, tribological properties and their corrosion behavior. The results obtained indicated that the application of a multilayer coating can greatly improve the wear and corrosion resistance of a wood cutting tools steel.

Le sujet de ce mémoire de thèse concerne l’usure des inserts en carbure de tungstène soumis à des sollicitations d’impact-glissement. Ces inserts situés sur la tête de coupe de tunneliers permettent d’excaver le sol. Ces carbures sont caractérisés par une dureté élevée et une résistance à l’usure importante ; néanmoins, ils sont soumis à des conditions d’excavation sévères qui finissent par les endommager. Il est donc primordial d’augmenter leur résistance à l’usure afin d’augmenter leur durée de vie dans le but de réduire les opérations de remplacement et les coûts. Une étude expérimentale avec un banc d’impact-glissement permet de solliciter les carbures de tungstène dans des conditions proches de celles rencontrées lors de l’excavation. Nous analysons trois carbures de tungstène avec des propriétés et des compositions différentes. Un des trois carbures sert de référence et est utilisé industriellement. Les deux autres carbures ont été développés récemment. Une bille, en acier 100Cr6 ou en carbure de silicium, est soumise à un déplacement vertical, et vient impacter l’échantillon en carbure de tungstène. Le déplacement de deux lames flexibles, situées sous l’échantillon impacté, permet de générer le glissement au moment de l’impact. L’abrasion et l’adhésion sont les principaux mécanismes d’usure, accompagnés de la formation de fissures dans le cas du carbure le plus fragile. Le volume d’usure dépend fortement de l’énergie d’impact, du nombre d’impacts, de l’angle d’impact, de la nature des matériaux au contact et de l’environnement de contact. Le carbure de référence s’use le plus parmi les trois carbures. De plus, le glissement contribue à augmenter l’usure et la bille en SiC forme une couche sacrificielle avec l’un des carbures développé récemment. La présence d’argon au contact tend à réduire l’adhésion et, par conséquent, l’usure est moins sévère. Parallèlement aux tests expérimentaux, une analyse numérique par éléments finis sous Abaqus/Explicit est réalisée. Un modèle 3D représentant le contact entre la bille et le plan incliné a été développé en mettant en avant la dynamique du contact. Cela nous donne accès à des grandeurs non déterminées expérimentalement (distance glissée, énergie dissipée par frottement, énergie de déformation plastique, contraintes au contact) et permet ainsi de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors du contact. Les coefficients énergétiques d’usure obtenus expérimentalement sont mis en corrélation avec les énergies dissipées par frottement et les énergies de déformation plastique. La distribution des contraintes de traction et de compression permet d’établir un lien avec la formation des fissures pour le carbure le plus fragile. Cette approche expérimentale combinée à la simulation numérique nous permet de mieux comprendre les phénomènes d’endommagement qui se déroulent au contact de l’insert. / Tungsten carbide cutting tools are very frequently used for tunnel boring machines, as inserts on the drag bits at the front face. With their high toughness, hardness and their wear resistance, they are highly suitable for this kind of application. During excavation, those tools are subjected to important mechanical stresses mostly represented as repetitive impacts combined with the sliding motion induced by the rotation of the cutting wheel. In this regard, their lifetime should be optimized in order to reduce the maintenance operations cost. This thesis highlights the wear mechanisms associated to the impact-sliding motion of tungsten carbide cutting tools. An experimental approach is presented with an impact-sliding test rig allowing to represent the contact dynamics closed to the one observed during the excavation. The test rig is developed with a ball/flat configuration. The ball undergoes a vertical sinusoidal motion derived by an electromagnetic shaker and impacts the inclined tungsten carbide sample. There are two vertical foils underneath the tungsten carbide, which slide backward during the impact: this induces the sliding motion. Three types of tungsten carbides with different chemical compositions, production processes and mechanical properties have been tested. AISI 52100 and SiC balls are considered in this study. Abrasion and adhesion are mainly observed on wear scars, with cracks initiation for the more brittle tungsten carbide. Wear volume depends on many factors : the impact energy, the number of impacts, the impact angle, the ball material, the hardness of materials and the environment under which they are tested. The reference material wears out the most with larger wear scars. The sliding motion contributes greatly on the wear and SiC ball tends to create a sacrificial layer in some conditions. Tests run under argon showed that adhesion is less likely to occur at the contact. Besides, a 3D finite element dynamic model has been developed with the use of ABAQUS/Explicit. Experimental data are taken into account in order to obtain simulation conditions analogous to those in the experimental study. This numerical approach gives an insight on wear phenomena involved in this impact-sliding contact. In addition to this, parameters that were unreachable experimentally could be calculated (sliding distance, friction dissipated energy, plastic deformation energy). Energetic wear coefficient, calculated experimentally, can be correlated with the dissipated energy and the plastic deformation energy. Cracking features are linked to the contact stress distribution. Numerical results provide an input on experimental data and help in understanding complex wear processes entailed in this impact-sliding conditions.

Ce travail constitue une première étape dans la compréhension et la modélisation du comportement de contacts en frottement dans un environnement corrosif. On s'intéresse plus particulièrement à des stsructures évoluant en milieu marin.<br /><br />La première partie fait une large part à l'expérimentation, avec le développement d'un moyen d'essai original, et précise l'importance relative des phénomènes électrochimiques et mécaniques pour un contact ponctuel acier inoxydable / alumine en milieu neutre chloruré (NaCl 30 g/l). Le deuxième volet s'est attaché au développement d'une modélisation par équations intégrales des problèmes de contacts ponctuels entre des structures élastoplastiques homogènes ou revêtues en frottement continu.

Mes travaux de recherche portent sur la modulation du frottement par des vibrations ultrasoniques générées au sein d'un contact solide en frottement sec. Une approche analytique basée sur les conditions de fretting entre solides élastiques associées à une sollicitation dynamique normale a permis de dégager les conditions de lubrification électroactive. Les fortes pressions de contact et les fréquences d'excitation élevées requises, nous orientent alors naturellement vers l'emploi d'actionneurs piézoélectriques. Sur le plan expérimental, une approche fondamentale sur tribomètre a été d'abord menée pour valider notre approche théorique. Si les applications potentielles de la lubrification électroactive sont nombreuses (actionneurs haptiques kinesthésiques, embrayage piézo électrique,. . . ), ces travaux ont été appliqués à la réduction des pertes par frottement dans un moteur à combustion interne sous l'impulsion du motoriste de Formule 1 ASIATECH.

Dans le domaine de la forge, la problématique de la réduction des coûts de production se fait ressentir à plusieurs niveaux de la fabrication. Un point essentiel concerne la réduction du coût d'outillage par pièce forgée. La simulation numérique permet d'effectuer des études de faisabilité à coût réduit. On peut désormais utiliser la simulation numérique dans une approche d'optimisation des outillages. Pour augmenter la durée de vie des outils, il faudra prendre en compte deux facteurs essentiels: l'usure et les sollicitations thermomécaniques subies par les outils. Dans cette thèse, nous avons d'abord mis au point une formulation thermomécanique et numérique du problème thermomécanique couplé sur le système complet pièces-outillages. La résolution de ce problème multicorps nous a permis de modéliser le comportement des outils au cours du procédé de forgeage à chaud. Les temps de calculs importants générés par ce type d'approche nous ont conduit à mettre au point et à tester différentes stratégies algorithmiques pour permettre de réduire les temps de calcul. Ces stratégies sont maintenant utilisables et leur comparaison a mis en évidence leurs avantages relatifs. Il s'agira en fait dans la plupart des cas de faire un compromis entre la durée des calculs et la précision souhaitée. Les résultats présentés ici permettront aux futurs modélisateurs de faire le choix entre ces différentes méthodes. Les résultats thermomécaniques obtenus sur les outillages nous ont permis de mettre en place un modèle de calcul d'usure, ainsi qu'une stratégie de calcul pour obtenir dans des temps raisonnables des résultats sur des résultats sur des cas de cyclage, pour mieux simuler des passes de forgeage.

L'objectif de ce travail était de développer et caractériser une nouvelle génération de revêtements multicouches de type nitrures dont le métal constituant la base est le chrome, et de comprendre les mécanismes de dégradation, tant d'un point de vue physico-chimique que tribologique, afin de définir des règles d'élaboration optimisées ultérieurement. En raison des conditions auxquelles ils sont soumis, ces dépôts doivent présenter des caractéristiques particulières. Dureté, propriétés tribologiques et thermiques optimisées sont les premières à considérer, compte tenu de leur application potentielle dans le domaine de l'usinage. En outre, ils doivent présenter une bonne tenue à l'oxydation à chaud en raison de l'élévation de température concomitante au frottement. Nous avons développé et caractérisé ainsi des revêtements multicouches (CrN/CrAlN et Cr/CrN/CrAlN) en faisant varier les conditions d'élaboration des monocouches, nous avons déterminé les conditions optimales de réalisation des multicouches. Par la suite, les films élaborés dans ces conditions optimales ont été étudiés et caractérisés. Nous nous sommes intéressés en particulier à leurs morphologies, leurs propriétés physico-chimiques et leurs caractéristiques mécaniques (dureté, contraintes résiduelles, adhérence et propriétés tribologiques). Les résultats obtenus dans cette étude apportent une contribution à la compréhension des mécanismes complexes d'endommagement des revêtements multicouches.

L'utilisation de revêtements abradables pour assurer l'étanchéité dynamique des turboréacteurs est une solution répandue qui permet d'augmenter la fiabilité et le rendement aérodynamique des turboréacteurs. En fonctionnement, des touches inévitables entre le revêtement et le bout d'aubes de rotor peuvent être à l'origine d'une usure excessive du revêtement abradable et/ou de la rupture d'aube. La simulation numérique de tels incidents butte sur un manque de connaissance des interactions aube/carter et des forces mises en jeu au contact, forces qui résultent notamment de couplages entre le frottement, l'usure du revêtement et des phénomènes vibratoires.Cette thèse a pour objectif de mieux appréhender les mécanismes d'interaction entre l'aube et le revêtement abradable. Elle résulte d'une collaboration entre l'ONERA de Lille et le Laboratoire de Mécanique de Lille et concerne le revêtement de type Al-Si/hbN (Metco 320NS), couramment utilisé dans les compresseurs à basse pression.Les propriétés physico-chimiques et le comportement mécanique - notamment en dynamique - du revêtement abradable sont étudiés. Compte-tenu d'une asymétrie du comportement en traction et en compression, l'exploitation en corrélation d'images numériques d'un essai original inspiré de l'essai Brésilien permet de rendre compte des mécanismes de dégradation. Le comportement tribologique est étudié sur tribomètre dans différentes configurations de contact. L'interaction entre l'aube et le revêtement ainsi que les couplages avec les vibrations d'aube sont investigués et caractérisés dans une configuration simplifiée et fortement instrumentée, sur un banc rotatif spécifique développé à l'ONERA de Lille

La finalité industrielle de ce travail mené sur des aciers de type Hadfield est l'amélioration de la tenue en service des cœurs de voie. Le mémoire comprend quatre parties. La première partie concerne la compréhension de la problématique rencontrée actuellement sur les cœurs de voie en service. La deuxième partie fait le point des connaissances sur les nuances d'acier dans la même gamme que la nuance actuelle (GX120Mn13). On a sélectionné cinq nuances et ces nuances ont fait l'objet d'une étude mécanique et tribologique dans les troisième et quatrième parties. Un montage sur un tribomètre rotatif a été conçu pour réaliser des essais de fatigue de contact en roulement. Un banc d'essai de chocs-glissement a été conçu et mis au point pour imposer aux matériaux des sollicitations proches de celles exercées en service. Au niveau essai mécanique, le comportement en traction et en compression à des vitesses allant jusqu'à 10 s-1 a été étudié. Ces essais ont montré la capacité d'écrouissage extraordinaire de ces aciers austénitiques. Les essais tribologiques de roulement et de chocs glissement ont permis de déterminer les nuances qui présentent la meilleure résistance à l'usure.

Le sujet de recherche proposé se présente comme une étude préliminaire à l'optimisation de l'usinage à sec des composites carbone/époxy. L'étude proposée traite de la compréhension des mécanismes d'endommagement des outils. Elle a pour but de déterminer les différents paramètres tribologiques de l'interface outil-pièce (efforts, température, frottement, rugosité) et de les confronter à l'usure des outils. Les opérations de coupe par enlèvement de matière génèrent des efforts et des gradients de température importants, d'où risques d'endommagements au niveau des surfaces usinées. Un dispositif d'étude basé sur l'observation expérimentale de la formation du copeau (caméra vidéo rapide, mesure des efforts, calcul de flux thermique, coefficient de frottement) et la simulation numérique par la méthode des éléments discrets sont ensuite misent en place. La caractérisation physico-chimique réalisée à l'aide de techniques complémentaires d'analyse de surface (MEB, profilométrie optique) a permis d'identifier les différents types d'endommagement de l'outil et du composite. Une étude spécifique du perçage des composites a permis de visualiser les dommages créés par un foret et, après analyse, de proposer un outil mieux adapté. Le délaminage des derniers plis du composite, provoqué par la pénétration du foret est considéré comme le défaut majeur. Un modèle mathématique a permis de prévoir l'effort de pénétration du foret. Ce modèle a été validé par une procédure expérimentale. Une relation liant l'effort de pénétration aux conditions de coupe et à l'usure du foret a été proposée. La synthèse de l'étude fait apparaître l'intérêt industriel du travail. L'approche basée sur la détermination des efforts de coupe à l'aide de simulations numériques par la méthode des éléments discrets a permis de corréler les mécanismes de formation du copeau et d'enlèvement de matière. La justesse des simulations numériques est conditionnée par la capacité de la modélisation à prédire des efforts de coupe et une morphologie du copeau en accord avec l'expérimentation. Les simulations numériques ont conduit à l'obtention d'une bonne corrélation entre les prédictions et les résultats expérimentaux.