Les contraintes thermiques et mécaniques vues par les turbines haute pression ont conduit à la conception de turbines à aubes monocristallines. Ces aubes utilisent des nuances présentant d’excellentes propriétés en fluage selon les directions cristallographiques de type <001> et ont ainsi permis, en augmentant la température des gaz et la vitesse de rotation de la turbine, une amélioration des performances spécifiques des turbomachines. En utilisation, les aubes sont principalement soumises à l’accélération centrifuge induite par la rotation de la turbine autour de son axe. Ce chargement est cyclique avec des cycles qui correspondent au décollage/atterrissage, mais aussi à des vibrations aux fréquences plus hautes pendant la phase de vol. Le chargement de la pale est transmis au disque de turbine par une liaison de type pied de sapin, qui par nature contient un jeu. Au niveau du contact aube/disque les contraintes sont très élevées et des mouvements oscillatoires de faible amplitude apparaissent. Cette configuration de contact est appelée fretting et sa superposition avec la fatigue oligocyclique est appelée fretting fatigue. On rencontre le phénomène de fretting fatigue dans la plupart des contacts quasi-statiques subissant de la fatigue et des vibrations. C’est un phénomène qui réduit considérablement la durée de vie des assemblages. Les travaux de cette thèse se sont articulés autour de deux grands thèmes ; la connaissance du matériau et en particulier de la couche corticale (couche superficielle de la matière modifiée par le traitement de grenaillage) et l’étude des endommagements subits lors des différents chargements mécaniques élémentaire de l’attache aube/disque. Le grenaillage fait partie du processus de fabrication des pieds de pales. Il permet d’aplanir les rainures de rectification et de pré-contraindre localement le matériau en compression. Il a été montré par le passé qu’il augmentait la durée de vie moyenne en fatigue des éprouvettes technologiques représentatives de l’attache aube/disque. C’est donc un traitement mécanique fondamental. Sur un monocristal le grenaillage, en déformant plastiquement la couche corticale, modifie profondément la structure du matériau, et augmente significativement la concentration en dislocation. Ce nombre important de dislocations contribue à une rotation locale du réseau cristallographique. Ainsi la couche corticale ne peut plus être considérée comme orthotrope. Pour caractériser ces rotations, deux techniques ont été utilisées. Dans un premier temps, l’observation de la matrice γ a permis d’identifier la rotation du réseau cristallographique, ensuite une série de mesures par EBSD a permis de la quantifier. Par la suite, c’est la relaxation de la contrainte résiduelle introduite par le grenaillage dans un alliage polycristallin à base de nickel qui a été étudiée. Deux processus de relaxation ont été étudiés, le premier thermique et le second mécanique. Ces deux processus ont des cinétiques extrêmement importantes comparées à la durée de vie d’un moteur. Pour analyser le comportement en fissuration d’un plan monocristallin (MC2) soumis à une sollicitation de fretting imposée par un cylindre polycristallin (Udimet 720), trois orientations ont été sélectionnées parcourant l’ensemble des configurations rencontrées sur une aube. Les premiers résultats montrent que l’orientation du plan n’a pas d’influence sur le coefficient de frottement. Ensuite, le seuil d’amorçage a été déterminé, ce faisant les observations fractographiques des plans de MC2 ont mis en valeur l’importance de l’orientation relative des plans octaédriques et de la direction de fretting sur la direction de croissance des fissures. Ces constatations ont conduit à la réalisation de modèles éléments finis prenant en compte le caractère cubique des monocristaux de nickel et permettant d’évaluer l’amplitude du cisaillement résolu subi par un plan de fretting. [...] / No abstract

No description available.

Fretting corrosion is a form of wear which occurs at the interface of two contacting solid materials as the result of small, relative vibratory motion. It is generally identified by the presence of a red oxide, Fe203. Previously, the majority of the investigators studied the fretting corrosion between two flat specimens or between a single ball and a flat plate held in contact by a normal force. There are a number of interrelated influencing factors involved in fretting corrosion including: the vibration frequency and amplitude, the environmental conditions, the characteristics of the material, and the type of lubrication. The present investigation was conducted in order to investigate the effects of frequency and amplitude of axial vibration and the consequent accelerations acting to produce fretting damage within an unlubricated instrument ball bearing. The effect of bearing axial play on the fretting damage was also examined. The reproducibility of the damage resulting from these variables was determined. / Ph. D.

A study has been conducted to determine whether or not tribopolymerization can occur under conditions of fretting contact. Using a laboratory test consisting of oscillating hard steel balls loaded against flat steel or aluminum disks, effects of various monomers on friction, wear, and surface film formation were determined. Monomers, capable of polymerizing either by polycondensation or addition processes, were used at 1 % concentration in hexadecane. Under the conditions used (90N load, 65Hz frequency, 200μm peak-to-peak amplitude, 1 hour), the monomers tested reduced friction or wear or both. Fourier Transform Infrared Microscopy (FTIRM) analysis of the test specimens shows that organic material is present in the wear scar regions and depends on the metal used, the monoester structure, location on the disk, and the method of cleaning the surface after a test. With aluminum-on-steel the addition of I % styrene to hexadecane reduced the wear volume of the disk by over 650/0; furthermore, positive evidence of polystyrene was found via FTIRM. These results support the hypothesis proposed by Kajdas that addition-type tribopolymerization can be initiated by exo-electron emission. Under these conditions of expected relatively low surface temperatures, tribopolymerization does not occur with polycondensation-type compounds such as the C₃₆ dimer acid/ethylene glycol monoester. With this additive, known to be extremely effective in reducing wear at higher surface temperatures, effects on wear were small and no positive evidence of polymerization was found; however, metal soaps formed under these conditions. / Master of Science

Yes / Fretting wear has a significant influence on wire rope fatigue life when in cyclic bending, particularly for crossed-wire contacts, where the interfacial motion of the surfaces is complex and multi-axial. To simulate these contacts in a controlled manner, a laboratory-scale, crossed-cylinder, reciprocating fretting wear test was developed. A broad range of contemporary lubrication technologies were evaluated using this method and a systematic multivariate statistical analysis was performed to identify the most significant lubrication-related parameters with respect to these fretting wear conditions. Wear area increase per slip cycle was the most relevant measure of wear damage, as this captured the influence of changes in the fretting wear regime during the test. The ability of a lubricant to reduce damaging fretting wear during the run-in phase was the biggest influence on long-term fretting wear, particularly for grease-lubricated contacts.

Cette étude traite de la prise en compte du gradient de contrainte et du frottement pour calculer l’amorçage de fissures en fatigue. On s’intéresse notamment au dimensionnement d’une manille en Inconel 718 munie de bagues en Inconel 718montées avec interférence. Pour cela, on réalise des essais de fretting et de fatigue pour étudier les conditions d’amorçage de fissures en présence de gradient de contrainte et de frottement. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l’effet du gradient des contraintes sur l’amorçage de fissures et justifient la prise en compte du gradient pour le dimensionnement en fatigue des structures. A travers ces essais balayant une gamme de gradient de contrainte étendue, on confirme que la présence d’un gradient de contrainte retarde l’amorçage de fissures. Les avantages et les inconvénients de plusieurs approches de fatigue multiaxiale intégrant le gradient de contrainte sont étudiés. De cette analyse, une proposition est faite permettant de décrire au mieux les résultats expérimentaux de fatigue et de fretting. Cette approche s’appuie sur l’utilisation d’une fonction de poids dépendant du gradient de la pression hydrostatique. Cette approche est similaire à des approches mises en oeuvre sur d’autres problématiques de fatigue ce qui permet de dégager quelques points de convergence pour traiter le problème du gradient de contrainte en fatigue. Un essai de fatigue sur une manille munie d’une bague montée avec interférence est réalisé. L’effet du gradient de contrainte sur l’amorçage de fissures dans ce système est trop faible pour que l’utilisation d’une approche intégrant l’effet de gradient soit pertinente. Cette observation est cohérente avec les résultats expérimentaux précédents obtenus dans cette étude. L’inconel 718 apparaît donc comme un matériau peu sensible à l’effet de gradient de contrainte. Une approche de fatigue multiaxiale de type Crossland permet une description raisonnable de la durée de vie du système. Une analyse numérique montre que la tenue en fatigue du système est peu sensible au coefficient de frottement alors que l’interférence a un impact beaucoup plus important. / This study focuses on the stress gradient effect and the friction to estimate the crack initiation condition in fatigue. The industrial application is a lug in Inconel 718 with shrink fitted rings also in Inconel 718.Fretting tests and fatigue tests are performed to measure crack initiation conditions with friction and stress gradient. The experimental results confirm the beneficial effect of the stress gradients on the fatigue crack initiation. These results justify the consideration of stress gradients to design structures against fatigue. Through these experiments which sweep over a large range of stress gradients, it is confirmed that stress gradient delays the crack initiation. The benefits and the drawbacks of several multiaxial fatigue approaches dealing with stress gradients are studied. Then, a proposal is done to describe accurately the experimental results of fatigue and of fretting. The proposal is based on a weight function and on the use of the gradient of hydrostatic pressure. This approach is very similar to some approaches already applied to other fatigue issues. This enables to highlight some similarities to deal with the effect of stress gradient in fatigue. Fatigue tests are finally performed on a lug with shrink fitted rings. The stress gradient effect on this application is too low to make relevant the use of a fatigue approach dealing with stress gradient. These experimental results are consistent with the previous results of fatigue and fretting. Therefore, the Inconel 718 appears as a low sensitive material to stress gradient. A multiaxial fatigue approach such the Crossland criterion enables to describe correctly the fatigue strength of this system. The numerical analysis shows that the fatigue strength of the system is not very sensitive to the coefficient of friction whereas the interference impacts significantly on the fatigue strength of the system.

Le fretting est un endommagement induit par le glissement cyclique à très faible amplitude de deux corps en contact. Il se caractérise par un amorçage d’une fissure en surface, qui peut ensuite propager, menant ainsi à la rupture. Le fretting est présent dans de nombreux secteurs industriels où il constitue un critère de résistance à la fatigue plus ou moins sévère. Ce mémoire s’intéresse aux fissures de fretting qui apparaissent dans une liaison entre pale et disque d’une turbomachine. La sollicitation cyclique de contact est dans ce cas le fruit de la combinaison d’un chargement statique à un chargement vibratoire à très haute fréquence (quelques milliers de Hertz). Pouvoir estimer la durée de vie de la liaison sous un tel chargement est indispensable pour la sécurité des vols. La méconnaissance de certains paramètres d’entrée, la non-proportionnalité du chargement ainsi que les fortes concentrations de contraintes mises en jeu, sont autant de verrous techniques à la modélisation. Ce mémoire de thèse propose une méthode numérique permettant le calcul d’une criticité à amorçage de fretting sous sollicitation vibratoire. Le modèle se décompose en une première phase de calcul des contraintes et déformations cycliques par éléments finis, suivie d’une seconde qui consiste à post-traiter les résultats avec le critère de Dang Van. Le modèle est développé grâce au support d’un banc d’essai innovant qui permet de reproduire les chargements subis par un contact d’une liaison pale/disque. Une utilisation intensive du processus de calcul mis au point permet de tirer des conclusions et de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu dans ce type d’endommagement. Une confrontation des différentes études numériques réalisées permet de comparer la représentativité des moyens expérimentaux par rapport aux configurations moteurs réelles. / Fretting is a damage induced by small cyclic slip of two bodies in contact. It is characterized by surface crack initiation, which can then propagate, thus leading to failure. Fretting is present in many industrial environments where it is a more or less severe resistance criterion. This work focuses on the fretting cracks that appear in blade/disk roots of turboshaft engines. In this case, the cyclic contact loading is the result of the combination of a static loading and a high frequency vibratory loading (some thousands of Hertz). Being able to estimate the lifetime of the root under such a solicitation is essential for flight safety. The lack of knowledge of certain input parameters, the non-proportionality of the solicitation as well as the high stress gradient involved, make this phenomenon difficult to predict. This work proposes a numerical method allowing the computation of a fretting crack initiation criterion. First, stresses and deformations fields are computed with finite element method. Then, the post-processing of the fields is done woth Dang Van criterion. The model is developed with the support of an innovative test bench which makes it possible to reproduce the loadings sustained by a a blade/disk root. An intensive use of the computation process developed makes it possible to draw conclusions and provides better understanding of the phenomenon involved in this type of damage. The different numerical studies carried out make it possible to compare the representativeness of the experimental means with respect to the actual engine configurations.

Ce travail a porté sur l’influence d’entailles micrométriques sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles d’un alliage de titane et la comparaison avec un cas de fretting-fatigue. Des études préliminaire sont montré que des entailles micrométriques pouvaient reproduire les champs de contraintes d’essais de fretting-fatigue. Le projet COGNAC dirigé par Safran Aircraft Engines a été créé dans l’objectif d’évaluer la faisabilité d’un modèle unique capable de simuler la tenue en fatigue de pièces subissant des sollicitations de fretting ou de fatigue en présence d’entailles. Le cadre expérimental de cette thèse est limité à la partie du projet traitant des entailles. Afin d’avoir le même état de préparation de surface, les micro-entailles et les surfaces des éprouvettes de fretting fatigue sont usinées par meulage. Afin de reproduire les gradients de contraintes observés localement pour des chargements de fretting-fatigue, des entailles en V avec des rayons compris entre 50 μm à 500 μm ont été choisies.L’étude du taux de triaxialité et du cisaillement a permis de définir une géométrie d’éprouvette de comparaison avec le fretting fatigue qui comporte 2 entailles en V inclinées en face à face. Trois campagnes expérimentales de fatigue à grand nombre de cycles ont été menées. La première sur des éprouvettes lisses meulées afin d’obtenir une limite de fatigue de référence sans concentration de contraintes. La seconde sur des éprouvettes avec une entaille non inclinée ayant une profondeur de500 μm afin d’étudier les effets du rayon de fond d’entaille sur la limite de fatigue. La dernière est une campagne sur les éprouvettes avec 2 entailles inclinées qui permettent de reproduire les champs de contrainte des essais de fretting. Les premiers stades de fissuration ont été étudiés. Les facettes de pseudo clivage, la présence d’un premier stade de fissuration et les amorçages multiples en fond d’entaille ressemblent à ce qui peut être vu sur des essais de fretting. Par contre la présence de fissures non propageantes en fond d’entaille sous la limite de fatigue n’a pas pu être démontrée, alors que ces fissures non propageantes sont observables sur les essais de fretting-fatigue. Les sites d’amorçages et les mécanismes des premiers endommagements semblent être pilotés par les zones affectées par le meulage. Enfin trois critères de fatigue ont été utilisés afin de tenter de reproduire nos résultats expérimentaux. L’approche basée sur la théorie du gradient –avec un gradient local et un impact affine du gradient- et celle basée sur la théorie de la distance critique ont fourni des résultats corrects sur les éprouvettes entaillées mais ne peuvent faire le lien avec les éprouvettes sans concentrations de contraintes. Enfin, l’approche probabiliste utilisée a produit des résultats très proches des résultats expérimentaux à la fois sur des éprouvettes lisses et des micro-entailles. La comparaison des résultats expérimentaux montrent que le champ de contrainte de Crossland proche de la surface d’amorçage du fretting-fatigue est proportionnel à celui proche d’un fond d’entaille dans le cas d’une éprouvette avec 2 entailles en face à face. Le niveau de la sollicitation des 2 essais diffère localement d’environ20%. Dans la suite des travaux, il serait particulièrement intéressant de relancer une campagne de comparaison entre fretting et entailles en utilisant un critère probabiliste pour dimensionner les essais afin de proposer une méthodologie commune de prise en compte des concentrations de contraintes dans les cas de fretting-fatigue et de concentrateurs géométriques sollicités en fatigue. / This study is about the influence of micro-notches on the high cycle fatigue behavior of a Ti64 alloy and the comparison with similar fretting fatigue tests. Preliminary studies showed that fretting-fatigue stress fields can be reproduced by micro-notched. The COGNAC project leaded by Safran Aircraft Engines was built to verify if a unique model can reproduce both fretting-fatigue and notched samples fatigue tests. The scope of this experimental study is limited to the notched samples. In this PHD thesis, the notches are grinded and the results are compared with fretting-fatigue tests on grinded surfaces. V-notched with notch root radius from 50 to 500 μm were chosen to reproduce the stress gradient of fretting-fatigue tests. A geometry with two inclined notches facing each other allows to reproduce shear stress and stress triaxiality from fretting-fatigue tests. Three different experimental studies were performed. First on un-notched specimens with a grinded surface state to produce a reference fatigue limit for grinded surface state without stress concentration. The second study the notch root radius effect on the fatigue limit with samples with one non-inclined notch of 500 μm of depth. The last one is a series of fatigue tests on samples with two inclined notches that reproduce the stress distribution of fretting-fatigue tests. Pseudo-cleavage facets, multi cracks initiations in the notch root and the presence of two propagation stages is similar to the fretting-fatigue tests mechanisms. However, non propagating cracks were not observe at the notch root while many of them were present during the fretting-fatigue test. The initiation sites and the early stages of propagation seem to be controlled by grinded affected areas. Finally, three fatigue criteria were used to try to reproduce the experimental results. The criteria based on the critical distance theory and gradient theory –with a local gradient and an affine effect of the gradient term- can reproduce the fatigue limits of notched samples but fail to predict both notched and un-notched specimen fatigue limits with a unique data set. The third one is a probabilistic criterion which success to predict the experimental fatigue limits not only of notched samples but also smooth ones. The comparisons between the experimental results of the fatigue on the specimens with two inclined notches and the fretting-fatigue shows a difference of 20%. The distribution of the Crossland stress is quite similar. In the future, it would be useful to make a new comparison between fretting-fatigue and fatigue on notches using the probabilistic criterion to design the tests. This new comparison could lead to the proposal of a unique methodology to take into account the fretting-fatigue and the fatigue on stress concentrators.

Les vibrations issues du fonctionnement d'un véhicule automobile (moteur, route) sont transmises aux connecteurs électriques. Ces vibrations peuvent induire des déplacements relatifs entre certains des composants du connecteur à l’interface de contact. Les éléments en contact sont de diverses formes et diverses natures dont une partie femelle (dite clip) dans laquelle s’introduit une partie mâle (dite languette). Or, un déplacement relatif de quelques micromètres entre le clip et la languette est suffisant pour dégrader et ce de manière irréversible, l'interface de la zone de contact électrique (phénomène de fretting-corrosion). Il est donc nécessaire de connaître le comportement vibratoire interne d'un connecteur i.e. des connectiques pour préconiser sa meilleure son utilisation au sein d'un véhicule. Un banc d'essai sur pot vibrant a été réalisé dans le but de caractériser le comportement vibratoire d'un connecteur soumis à un profil vibratoire. Les mesures ont été réalisées par tribométrie en réalisant des orifices d'accès au clip et à la languette. De là, l'analyse des vibrations induites a mis en évidence des directions de déplacement multi-axiales des composants du connecteur et notamment celles d’un support du clip dit porte-clip, et ce malgré une vibration dont la direction est mono-axiale. L'analyse a également mis en évidence une correspondance vibratoire entre le clip et le porte-clip ainsi que des phénomènes de résonances. De là, une première approche sur une modélisation numérique, basée sur un système masse-ressort-amortisseur, a été proposée. Cette analyse permet de caractériser le comportement vibratoire général d'un connecteur sans dépendre du type de vibration appliquée. C'est une nouvelle approche dans la caractérisation de connecteurs électriques utilisés dans l’industrie automobile. Les éléments en contact d’un connecteur sont revêtus de matériaux qui les protègent des dégradations mécaniques et chimiques. Ces revêtements (de quelques micromètres d’épaisseur) peuvent être des matériaux nobles (or, argent,…) ou non nobles (étain, …). Le déplacement relatif entre un clip étamé et une languette étamée engendre la formation d'un troisième corps à l'interface de contact. Ce troisième corps est composé de débris oxydés qui perturbent la conduction des charges électriques. L'utilisation d'une atmosphère de di-azote (N2) et l’analyse de la tension de contact en fonction de l'emplacement du clip par rapport à la languette ont mis en évidence la dynamique des débris oxydés avec notamment leur évacuation hors de la zone de contact. De plus, l'analyse d'une zone de contact dégradée à la microsonde nucléaire a permis de doser l'oxygène et de mettre en valeur deux types d'oxydes de cuivre. Ces caractérisations permettent de mieux comprendre le phénomène de fretting-corrosion et ses conséquences. / Vibrations are generating from an operating vehicule (motor, road). Then, they are transmitted to electrical connectors. Therefor, these vibrations can induce relative displacements between some of the connector components. The components for the electrical contact are the female part (called a clip) and the male part (called the tongue).These components are coated with materials that protect them from mechanical and chemical degradation. These coatings (a few micrometers thick) can be noble materials (gold, silver,...) or not noble (tin). A relative displacement of a few micrometers between the clip and the tongue is sufficient to irreversibly degrade the interface of the electrical contact zone by fretting-corrosion phenomenon. It is therefore necessary to know the internal vibratory behavior of connectors in order to recommend its best use for a vehicle.A test bench is carried out in order to characterize the vibratory behavior of a connector subjected to a vibratory profile. The measurements are carried out by vibrometry by making holes access for the clip and the tongue. From there, the analysis of the induced vibrations has revealed multi-axial directions displacements of the components of the connector and in particulary the clip holder (external support of the clip), despite a vibration whose direction is mono-axial.The analysis also showed a vibratory correspondence between the clip and the clip holder and resonance phenomena. From there, a first approach on a numerical modeling, based on a system mass-spring-damper, has been proposed. This analysis makes it possible to characterize the general vibratory behavior of a connector without depending on the type of vibration applied. This is a new approach in the characterization of electrical connectors used in the automotive industry.The relative movement between the clip and the tongue induce formation of a third body at the contact interface. This third body is composed of tin oxidized remains which disturb the conduction of electrical charges due to their electrcail insulating characteristic. The use of a nitrogen atmosphere and the analysis of the contact voltage as a function of the location of the clip relative to the tongue have demonstrated the dynamics of the oxidized debris with, in particular, their evacuation out of the contact area. Moreover, the analysis by a nuclear microprobe of a zone degraded contact area enable the measurement of oxygen concentration. The results hilight two types of copper oxides. These characterizations make it possible to better understand the phenomenon of fretting-corrosion and its consequences.

Experimental and theoretical analyses have been conducted upon electrical connector contacts under low frequency fretting conditions. The phenomena of "fretting" -relative micromovements in the components parts of an electrical contact - is known to take a major role in the degeneration of electrical contacts. Low frequency fretting is of particular interest and is typically caused by thermal differential expansion of the component parts due to temperature changes in the environment or the device itself. This thesis begins with a survey of possible failure mechanisms of the contact system. These are analysed and classified into three groups of chemical, physical, and mechanical degradation mechanisms. Fretting has been classified under the mechanical mechanism of degradation but is reported to exacerbate other degradation mechanisms resulting in the phenomena of "fretting corrosion". Developments in contact technology are then surveyed with the emphasis of this study on lubrication of the contact system. A novel fretting simulation apparatus has been developed to study the degradation mechanisms upon the contact system resulting from low frequency micromovements. The study includes investigations on the simulation apparatus of the contact system under different conditions. Particular! y emphasis is given to contacts under the conditions of electrical load and lubrication. Novel trends in the contact performance are reported with respect to electrical contact resistance, corrosion and wear of the contact interface. It is shown that electrically loading or lubricating the contact system has dramatic effects upon the contact performance. Chemical, physical and mechanical mechanisms at the contact interface are presented to explain the contact behaviour under several conditions of low frequency fretting. A "Two Process Model" is proposed which summarises the interaction of these different mechanisms. This model consists of two processes in balance - contact cleaning and contact degradation processes - which either increases or reduces the electrical area of contact. A theoretical computer simulation model is proposed for evaluating contact resistance behaviour of a fretting contact system under several conditions, particularly conditions of electrically loaded and lubricated conditions. Chemical, physical and mechanical mechanisms and their interact are simulated in the model using the Monte Carlo technique.