Nucleation and propagation of cracks under fretting conditions has been a subject of study for many years. An extensive experimental investigation to study these cracks was undertaken by Royal Aerospace Establishment (RAE Farnborough). Of particular interest to RAE was an Aluminium alloy (L65) developed for aerospace applications. Many researchers have studied fretting damage and fatigue cracks. Some have examined damage development due to wear, whilst others have analysed cracks under linear elastic fracture mechanics (LEFM) domain. To date, no attempt has been made to develop an integrated numerical model which incorporates all aspects of fretting fatigue i.e. nucleation, initial (or early) crack growth, and long crack propagation. The development of such a model is the principal aim of this work. It is expected that the integrated approach will provide the basis for a standard fretting fatigue analysis of other materials, components, and structures using the finite element method (FEM).This study uses the earlier experimental results with RAE as the reference for comparison. The approach followed is to implement the various stages of fretting in a commercial finite element code, ABAQUS. Unlike previously used simple FE models, both specimen (Aluminium alloy) and the fretting pad (steel) are modelled to simulate the real contact conditions including slip. Various predictive models for crack nucleation (based on damage) and propagation (based on fracture mechanics) are developed, tested, and implemented in ABAQUS. Results clearly show that these models together provide a good estimation tool for predicting total life in complete contact fretting fatigue. It is envisaged that the integrated model will be easily utilised for other materials, components, and structures subjected to fretting fatigue conditions with minimum experimental testing required.

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

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.

Ce travail porte sur la prévision du risque de fissuration en fretting fatigue des contacts Teta/Frette des conduites flexibles servant à l’acheminement du pétrole et du gaz. Les mouvements de la houle produisent des micros déplacements typiques du fretting entre les fils de Teta et de Frette. Le problème des conduites flexibles est particulièrement complexe puisqu’il implique de prendre en compte des forts niveaux de pressions induisant de la plasticité et des sollicitations variables. Pour répondre à ce problème, des études expérimentales et numériques ont été menés en parallèle. L’étude de fissuration est divisée entre prévision du risque d’amorçage des fissures et étude des conditions de propagation. L’amorçage est étudié avec le critère de fatigue multiaxial de Crossland appliqué à distance critique pour prendre en compte les gradients de contrainte spécifiques au fretting. Cette distance critique est optimisée pour être représentative du large spectre de gradient des contraintes étudié. Il est montré que si la distance critique est constante quelle que soit le gradient des contraintes, elle est associée à une longueur de fissure amorcée dépendante du gradient (couple ℓopt-bopt). Cette approche optimisée, combinée à une loi élastoplastique représentative permet des estimations très précises des conditions d’amorçage des fissures. [...] / This work concerns the prediction of fretting fatigue cracking risk in the Teta/Frette contacts of flexible pipes used for oil&gaz transportation. Swell movements produce micro-displacements between Teta wires and Frette wires, which are typical of fretting. Fretting problem in flexible pipes is particularly complex as it involves taking account of high pressure levels inducing plasticity and variable loadings. To answer this problem, experimental and numerical studies have been carried out. Cracking study is divided between crack nucleation risk prediction and the study of crack propagation conditions. Crack nucleation is studied using Crossland multiaxial fatigue criterion applied at a critical distance to address fretting stress gradient effect. This critical distance is optimized to be representative of the wide spectrum of stress gradient studied. It is shown that if the critical distance is constant whatever the stress gradient, it is combined with a crack nucleation length which depends on the stress gradient (ℓopt-bopt couple). This optimized approach, combined with a representative elastic-plastic material law, allows very precise estimates of crack nucleation conditions. [...]

Nous proposons dans ce manuscrit une nouvelle méthode pour prendre en compte l’effet du gradient en Fretting-fatigue. Les champs mécaniques présents à proximité du front de contact sont décrits à travers des facteurs d’intensité non locaux. L’objectif est d’aboutir à une description du champ de vitesse sous la forme d’une somme de termes exprimés chacun comme le produit d’un facteur d’intensité (Is, Ia, Ic), qui dépend des chargements macroscopiques appliqués à l’ensemble et d’une fonction de forme (ds, da, dc), qui est liée à la géométrie locale du contact. Cette description est obtenue à travers un processus non intrusif de post-processing des résultats obtenus avec des calculs à éléments finis. De plus, elle a été pensée pour être implémentée dans un contexte industriel. En pratique, pour chaque chargement macroscopique et pour chaque géométrie, il est possible de calculer un ensemble de facteurs d’intensité non locaux qui permettent de décrire les champs mécaniques locaux près du front de contact. Cette description non locale a l’avantage d’être (i) indépendante de la géométrie du contact employé et (ii) utilisable dans des modèles à éléments finis utilisés dans l’industrie qui sont caractérisés par des maillages plus grossiers par rapport à ceux utilisés pour étudier le fretting-fatigue dans des milieux académiques. Une étude est menée pour vérifier que les facteurs d’intensité non locaux peuvent être utilisés pour transposer les résultats expérimentaux d’une géométrie à une autre. / In this manuscript a new method to describe the stress gradient effect in fretting-fatigue is proposed. It is based on the description of the mechanical fields arising close to the contact edges through nonlocal intensity factors. For this purpose, the kinetic field around the contact ends is partitioned into a summation of multiple terms, each one expressed as the product between intensity factors, Is, Ia, Ic, depending on the macroscopic loads applied to the mechanical assembly, and spatial reference fields, ds, da, dc, depending on the local geometry of the part. This description is obtained through nonintrusive post-processing of FE computation and is conceived in order to be easily implementable in the industrial context. As a matter of fact, for any given macroscopic load and geometry, a set of nonlocal intensity factors is computed that permits to characterize the mechanical fields close to the contact edges. Such nonlocal description has the advantage of being (i) geometry independent so that the nonlocal intensity factors can be used to compare laboratory test with real-scale industrial assembly, (ii) applicable to industrial FE models usually characterized by rougher meshes compared to the ones used to describe fretting-fatigue in the academic context. The procedure is applied to fretting-fatigue test data in order to verify whether the nonlocal intensity factors can be used to transpose experimental results to different contact geometries from the one in which they have been obtained.

Les endommagements sous chargement de fretting fatigue sont un enjeu majeur dans le domaine aéronautique. Cette sollicitation induit de forts taux d’abattement comparée à une sollicitation simple de fatigue multiaxiale. Une démarche basée sur des essais expérimentaux et le développement d’un moyen de calcul est proposée dans ce travail. De nombreux essais expérimentaux de fretting fatigue sont réalisés. Plusieurs configurations sont proposées, en faisant varier la géométrie du contre-corps, de façon à mettre en évidence un effet du gradient des contraintes sous le contact. Ces essais permettent de quantifier le seuil d’amorçage de la fissuration à 106 cycles. A partir de ces données, regroupées dans des cartes de fretting fatigue, un critère numérique est alors développé pour prédire les conditions d’amorçage à 106 cycles. Cette approche se base sur une analyse de la contrainte maximale principale à une certaine « distance critique » de la surface et inclut une fonction de poids dépendante du gradient des contraintes sous le contact.L’application industrielle est très intéressante puisque le critère prédit correctement le site d’amorçage de la fissuration et renseigne sur le risque d’amorçage à 106 cycles. Ces résultats ouvrent des perspectives très intéressantes pour mettre en œuvre cette méthodologie lors du dimensionnement des structures. / Fretting fatigue cracking response of a Ti-10V-2Fe-3Al titanium alloy was investigated in high cycle fatigue. Tests were conducted in a plain cylinder on plane configuration and partial slip condition was considered. In this study, a dual-actuator fretting fatigue machine is used which permits to separate both fretting and the fatigue loadings. In this configuration, crack initiation boundary was experimentally built in a fatigue loading – fretting loading, named Fretting Fatigue Map.Experimental results show that the addition and the increase of a fatigue loading involves in a drop of the tangential threshold for crack nucleation compared to fretting loading. As expected, the increase of the fatigue loading induces an increase of the crack velocity after nucleation but induces also an earlier nucleation. Crack initiation and propagation are both influenced by the two loadings. Based on these results, a numerical approach was finally proposed to predict the crack nucleation in fretting fatigue conditions. This criterion considers the maximal principal stress at a “critical distance” and includes a function which is stress gradient dependent.The proposed criterion is finally tested on two industrial applications. Results are very interesting because crack nucleation sites are well localised and values given by the criterion are consistent with experimental observations.

Cette thèse fait partie d’un programme de recherche international (IRG Cognac). Lancé par le motoriste SNECMA (groupe SAFRAN), ce projet regroupe l’ENS Cachan, UnB, ENSMA, CNRS, Snecma, Turbomeca et Messier Bugatti Dowti, et se concentre sur l’effet du gradient des contraintes sur endommagement par fretting fatigue. Le fretting-fatigue se réfère au processus d’endommagement localisés en bord de fuite entre deux corps en contact soumis à un chargement de fatigue. La maitrise de ce phénomène est d’une importance cruciale dans la détermination des durées de vie des disques de turbine. En bord de contact, le champ de contrainte hérité des forces de contact est maximal à la surface mais présente un fort gradient en s’éloignant du contact.Il a été montré dans cette thèse que pour l’alliage Ti-6AL-4V, les approches locales, basés sur le niveau de contrainte au points critiques ne sont pas applicable dans ces conditions. Une approche non locale, s’appuyant sur la théorie de la distance critique a donc été utilisée. En effet, des fissures courtes initiées au point critique peuvent propager jusqu’à rupture ou peuvent s’arrêter si la diminution des contraintes est suffisamment sévère. Une seconde difficulté réside dans la nature multiaxial et localement non proportionnel du chargement. Le fretting fatigue est généralement créé par la superposition d’un chargement de fatigue cyclique, d’une force normale à la surface souvent considérée constante, et d’une force cyclique tangentiel à la surface mais dont la fréquence peut être différente de celle de la fatigue.Les résultats des essais réalisés ont mis en évidence l’effet du gradient des contraintes sur la fissuration et ont étaient utilisés pour évaluer le potentiel de diffèrent critères pour le dimensionnement en fatigue des structures. La simulation du phénomène a en effet été réalisé en utilisant différente approches. La première s’appuie sur la Théorie de la distance critique et utilise un critère multiaxial. La seconde utilise l’amplitude du facteur d’intensité des contraintes, ΔK, pour prédire l’arrêt des fissures courtes. Finalement un récent modèle construit comme un critère de plasticité en pointe de fissure a été appliqué au problème de fretting fatigue. Ce critère a pour particularité de prendre en compte la contrainte T dans le développement asymptotique en pointe de fissure. / This thesis is part of an international research program (IRG Cognac) initiated by the engine manufacturer SNECMA (SAFRAN group) involving ENS Cachan, UnB, ENSMA, CNRS, Snecma, Turbomeca et Messier Bugatti Dowty. The thesis focuses on the effect of a stress gradient in fretting fatigue. Fretting-fatigue refers to the damage process localized at the frontier of the contact between two contacting bodies subjected to fatigue loadings. The prediction of this phenomenon is of major importance in determining, for instance, the lifetime of fan's disc. In the vicinity of the contact front, the stress field inherited from the contact loads is maximal at the surface and displays a strong gradient from the surface. It was shown in this thesis, for a Ti-6AL-4V alloy, that local approaches, based on local stresses at the most critical point, are not appropriate to predict fretting fatigue lives. As a matter of fact, short cracks initiated at the most critical point may stop if the stress decay from the surface is strong enough or may continue their growth, up to the failure of the component, if the stress gradient from the surface is not string enough. A second difficulty is the multiaxial and non-proportional nature of the loading conditions. Fatigue-fretting stems from the combination of loads that have neither the same spatial distribution nor the same time-dependency. In fretting-fatigue tests, three loading components are considered, the fatigue loading of the component (cyclic), the normal part (assumed to be constant) and the in-plane part (cyclic) of the loads between the two contacting components. To quantify the effect of the stress gradient, tests were carried out on a fatigue testing contact bench developed at the University of Brasilia, with experimental conditions ensuring different stress gradient while keeping the maximal stress the same. Damage mechanisms were studied using post-mortem analysis and optical microscopy on the contact elements tested. The prediction of the fretting fatigue life was done using different approaches. The first one is based on the Critical Distance Method and a fatigue criterion. The second is based on a K-based short crack arrest method. Finally, a new criterion was proposed. This method considers a generalized von Mises yield criterion for the crack tip region and accounts for the T-stresses in the asymptotic LEFM development.

Ce travail a été entrepris dans le cadre d’une coopération internationale entre l’Université de Brasilia, l’Agence spatiale brésilienne (AEB), l’ENS Paris-Saclay et le groupe SAFRAN. L’objet principal de cette coopération est l’étude du fretting-fatigue, problème de contact associé à des charges de fatigue qui réduisent considérablement la durée de vie des composants en raison de la concentration élevée de contraintes, de l’usure et des conditions de chargement non proportionnelles. En ce qui concerne les coûts de calcul élevés impliqués dans l’évaluation des applications industrielles, l’un des objectifs de ce travail est d’améliorer les performances des simulations de frettage utilisant une approche d’enrichissement. L'idée est de tirer parti du fait que les champs mécaniques autour des bords de contact dans des configurations de contact cylindriques dans des conditions de frottement sont similaires à ceux trouvés près du fond de fissure dans les problèmes de mécanique de rupture élastique linéaire. Cette similitude rend attrayante l’idée d’enrichir les simulations de frettage par éléments finis via le framework X-FEM, ce qui nous permet de travailler avec des maillages plus grossiers tout en conservant une bonne précision. Comme nous le montrerons dans ce travail, il est possible de travailler avec des maillages jusqu'à 10 fois plus grossiers que si une méthode par élements finis classique était utilisée, permettant une forte amélioration des performances de calcul.Ce travail étudiera également l’influence de la prise en compte des effets de l’usure dans la prévision de la durée de vie en fatigue. Par conséquent, des simulations par éléments finis du fretting-fatigue ont été effectuées en tenant compte de la mise à jour de la géométrie due à l'enlèvement de matière et les résultats ont été comparés aux données expérimentales et aux simulations par éléments finis dans lesquels les effets de l'usure ont été négligés (stratégie simplificatrice généralement adoptée pour évaluer les problèmes de fatigue de frottement). Les critères de fatigue multiaxiaux conventionnels associés à la théorie des distances critiques ont été utilisés pour prédire la vie. Les résultats ont montré que, pour les données évaluées ici, lorsque des essais de fretting-fatigue ont été menés sur un alliage Ti-6Al-4V dans des conditions de glissement partiel, considérer les effets de l'usure pourraient augmenter légèrement la précision des prévisions de durée de vie. Cependant, cette amélioration n’est peut-être pas digne d’intérêt si nous prenons en compte les coûts de calcul élevés dans les analyses d’usure. / This work has been undertaken in the context of an international research cooperation between the University of Brasilia, the Brazilian Space Agency (AEB), the ENS Paris-Saclay and the SAFRAN group. The main subject of this cooperation is the investigation of fretting fatigue, which is a contact problem in conjunction with fatigue loads responsible for reducing considerably components’ fatigue life due to the high stress concentration, wear and non-proportional loading conditions involved in such problems. Regarding the high computational costs involved when assessing industrial applications, one of the aims of this work is to improve the performance of fretting simulations making use of an enrichment approach. The idea is to take advantage of the fact that the mechanical fields around the contact edges in cylindrical contact configurations under fretting conditions are similar to the ones found close to the crack tip in linear elastic fracture mechanics problems. This similarity makes attractive the idea of enriching finite element fretting simulations through the X-FEM framework, which enables us to work with coarser meshes while keeping a good accuracy. As it will be shown in this work, it is possible to work with meshes up to 10 times coarser than it should be if a conventional FE method was used allowing a strong improvement of the computational performances.This work will also investigate the influence of considering wear effects in the prediction of fretting fatigue lives. Therefore, fretting fatigue FE simulations have been carried considering the geometry update due to the material removal and results were compared to both experimental data and FE simulations where wear effects were neglected (simplifying strategy usually adopted when evaluating fretting fatigue problems). Conventional multiaxial fatigue criteria in association with the Theory of Critical Distances have been used in order to predict life. Results have shown that, for the data here assessed, where fretting fatigue tests were conducted on a Ti-6Al-4V alloy under partial slip conditions, considering wear effects might slightly increase the accuracy of life predictions. However, this slight improvement may not be worthwhile regarding the increase in the computational cost when compared to standard approaches where wear is neglected.

Fretting fatigue is a type of contact fatigue which causes premature failure in a number of engineering assemblies subjected to vibration or other forms of cyclic loading. It is concerned with the nucleation of cracks due to oscillatory micro slip between contacting bodies. Therefore, a detailed knowledge of the interface conditions and the means of quantifying crack nucleation are very important, and will be the ultimate goal of this thesis. The analysis of an incomplete contact (Herzian contact) is considered first followed by various complete contacts. Fretting fatigue tests employing a Hertzian contact are analysed accurately by introducing several modifications needed to the classical formulation. With the total state of stress in a strip established, the crack tip stress intensity factor for a crack growing inward from the trailing edge of the contact is determined by the distributed dislocation technique. The results are then correlated with local solutions for the contact stress field which enable an estimate of the crack nucleation life, and hence a characteristic material property quantifying initiation, to be found. The interfacial contact pressure distribution beneath a complete sliding contact between elastically similar components, in the presence of friction, has been studied in detail, with particular reference to contacts whose edge angles are 60 degree, 90 degree and 120 degree. The possible types of behaviour at the edge of contacts, namely power order singularity, power order bounded and square root bounded, are discussed. A full understanding of the behaviour requires a detailed study of a characteristic equation, and this shows the kinds of pressure distribution to be anticipated, which can vary very markedly. The transition from power order behaviour to local separation and bounded behaviour is examined, and an appropriate asymptotic form developed. The problem of trapezium shaped punches pressed into a frictional, elastically similar half-plane, and subject to sequential normal and shear loading, under partial slip, is studied. Detailed considerations have again been given to the specific cases of 60 degree, 90 degree and 120 degree punches, and maps have been developed showing the initial mix of stick, slip and separation regions, together with the steady state response when the shearing force is cycled. Conditions for full stick are established.

L’optimisation du dimensionnement des structures passe par une meilleure connaissance de leur mode d’endommagement. Cette étude se focalise donc sur la caractérisation de l’endommagement du contact aube/disque des moteurs aéronautique. Cet assemblage mécanique est soumis a une combinaison d’un effort normal (force centrifuge) et tangentiel (dynamique de l’aube). La portée du disque en Ti-6Al-4V subi donc un chargement complexe de type fretting fatigue. Ce type de sollicitation entraine, entre autre dégradation, de la fissuration dont la modélisation expérimentale et numérique est rendue difficile par les limitations des moyens et des connaissances actuelles. Le premier objectif de ce travail de thèse est de développer un moyen d’essai et une instrumentation associée afin d’étudier de façon qualitative et quantitative la fissuration d’un contact Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V. Le second but est d’utiliser les données issues de ce moyen expérimental afin de proposer un modèle de prédiction des durées de vie de cet assemblage. Un montage inédit de fretting fatigue double vérin mono-contact a été mis en place avec une instrumentation nouvelle pour ce type d’essai : suivi de fissuration par suivi de potentiel et par émission acoustique. Une attention particulière a été apportée aux calibrations et aux méthodologies expérimentales. Ce banc d’essai permet notamment de simuler des efforts de fretting applique en phase ou alors de telle manière a simuler un vrai cycle de vol. Cet outil a permis de décrire quantitativement les premières courbes de Wohler en fretting à amorçage (Effort de fretting vs Nombre de cycles à amorçage) pour deux configurations de contact (cylindre/plan et plan/plan). Les impacts des différents paramètres de fretting sur l’amorcage ont pu être quantifies. Les paramètres influant sont : la configuration du contact, les niveaux des efforts appliques et leur mode de combinaison (cycles en phase ou cycles de type vol). De plus des courbes de cinétique de propagation des fissures ont pu être extraites des différents essais, montrant un fort impact du fretting sur les vitesses de propagation des fissures. Une analyse qualitative via l’émission acoustique a montré un mécanisme d’amorçage et de propagation en 3 étapes suivant la perte d’influence du contact. Un modèle de prédiction de l’amorçage et de simulation de la propagation des fissures a été mis en place. Bien que limite dans la prise en compte des effets gradients (approches non locales), ce modèle se montre très performant surtout dans sa capacité à utiliser les données expérimentales dans l’identification des lois d’amorçage ou de propagation. Ce travail a donc permis d’importantes avancées dans la compréhension des mécanismes de fissuration et dans leur modélisation ouvrant ainsi la porte vers une prédiction fiable de l’endommagement des contacts aube/disque. / Optimization of structures design requires a better understanding of their damage process. This study focuses on the characterisation of the blade/disk contact damaging process on aircraft engines. That mechanical structure is subjected to a normal load (centrifugal forces) combined with a tangential force (blade dynamic). Thus the Ti-6Al-4V disk seat sees a complex fretting fatigue loading. This type of solicitation can generate a series of degradations like cracking. Experimental and numerical simulation of this damaging is very difficult considering the present state of arts. The first aim of this work is to develop a new experimental set-up with the appropriate instrumentation in order to conduct a qualitative and a quantitative analysis of the cracking in a Ti-6Al-4V/Ti6-Al-4V contact. The second goal is to build a life prediction numerical model that would be able to use the data obtain with the new experimental tests. The new dual-actuator fretting-fatigue set-up is now operational. It allows to run single contact test under different loading combinations: fretting and fatigue loads can be applied in phase or in a way to simulate the real ‘in flight’ conditions. New instrumentations have been added in order to follow the crack initiation and propagation: potential-drop technique and acoustic emission. Thanks to this new test procedure, the first fretting Wöhler curve to crack nucleation have been described (fretting load vs number of cycles to crack nucleation) for two contact geometries (cylinder on flat and flat on flat). The separate influences of fatigue and fretting parameters have been determined. The mains parameters are: the contact characteristics, the stress level and the force combination modes (‘in phase’ cycles or ‘in-flight’ cycles). Moreover, the very first crack propagation kinetics have been drowned. Also, a major influence of the fretting on the crack propagation has been exposed. The qualitative analysis conducted with the acoustic emission has revealed a three steps crack propagation process. The crack propagation process evolves with the decrease of the contact influence. A model has been developed in order to predict crack initiation and propagation lives. Even if the model suffers from a major limitation due to the difficult considerations of the stress gradient effects, it has shown very good results through its ability to directly include experimental data. This work has led to major breakthroughs in the understanding of the cracking mechanisms and their simulation. This forms solid foundations for future predictions of the blade/disk interface durability.