Sous l’effet des sollicitations mécaniques répétées induites par les passages des trains, on observe l’apparition de fissures de fatigue de contact dans les rails. Une fois amorcées, celles-ci peuvent se propager et mener à la rupture du rail. Dans un contexte d’intensification du trafic et d’augmentation globale des vitesses de circulation, il devient stratégique pour SNCF d’optimiser sa politique de maintenance. Afin de définir des pas de surveillance adaptés et une planification optimisée des opérations de maintenance, une meilleure connaissance des mécanismes d’endommagement par fatigue du rail s’avère nécessaire. Tendre vers cette stratégie de maintenance prédictive passe par la mise en place d’outils de simulation numérique adaptés. Dans ce contexte, une chaîne d’outils a été développée : détermination des sollicitations transmises au rail, des champs de contraintes et de déformations résiduelles, localisation des zones critiques vis-à-vis du risque de fissuration. L’étape suivante consiste à estimer le risque lié à la présence de fissures et à étudier leurs propagations. Elle constitue une partie des objectifs de ces travaux de thèse. La résolution du problème tri-dimensionnel d’une structure fissurée, avec contact et frottement entre les lèvres, est effectuée grâce à un modèle tri-dimensionnel éléments finis étendus multi-échelles. Ce modèle fait appel à une formulation mixte stabilisée où chaque champ est écrit à l’aide d’enrichissement. La fissure est représentée grâce à une stratégie implicite-explicite. Le problème est résolu à l’aide du solveur non-linéaire LATIN. Une étude empirico-numérique a permis de proposer des formules a priori assurant à la méthode de résolution un taux de convergence proche de l’optimal. La simulation de la propagation des fissures de fatigue est réalisée à l’aide de critères spécifiques, adaptés à un chargement multi-axial et non-proportionnel, et d’une loi de propagation dédiée en mode mixte. La confrontation des résultats de simulation avec des essais réalisés sur une configuration cylindre-plan a validé la stratégie X-FEM/LATIN à deux échelles. Tous ces développements ont été implémentés dans le code de calcul éléments finis CAST3M. Des contraintes résiduelles réalistes, provenant d’un logiciel externe, ont été introduites. Cette étape a requis la mise en place d’une procédure de transfert des champs entre les deux maillages (celui utilisé pour le calcul des contraintes résiduelles et celui utilisé pour la résolution du problème de mécanique élastique linéaire de la rupture). L’étude de la flexion du rail a révelé l’influence de ce phénomène uniquement lors du passage du chargement sur la fissure.Enfin, une étude numérique a montré la très forte influence de l’orientation du chargement tangentiel, des contraintes résiduelles et de la présence de plusieurs fissures sur la direction et les vitesses de propagation des fissures de fatigue. / To optimize the rail grinding strategy, the prediction of crack growth rates has a vital role. Contact, with friction between the crack faces, notably occurs in rolling contact fatigue (RCF) problems. These time-dependent, multi-axial, non proportional loadings may lead to a crack initiation and propagation, and sometimes to the development of very complex 3D crack network. Numerical simulations of frictional fatigue crack are efficiently performed using the eXtended Finite Element Method (X-FEM). Within this method, the mesh does not need to conform to the crack geometry. Most difficulties associated to complex mesh generation around the crack and the re-meshing steps during the propagation are hence avoided. A 3D two-scale frictional contact fa-tigue crack model developed within the X-FEM framework is presented. It allows the use of a refined discretization of the crack interface independent from the underlying finite element mesh and adapted to the frictional contact crack scale. The model is used here to analyze the crack propagation, rate and direction, under rolling contact fatigue. The wheel-rail contact loading is modeled as a traveling hertzian load. The stress intensity factors are computed at the crack tips during the wheel passage. Criteria for determining crack growth direction under multiaxial non proportional conditions and mixed mode Paris’ law are used. Actual residual stresses are accounted for in the simulation. They are determined thanks to a dedicated model used at SNCF in which the asymptotic mechanical state of the rail is computed when submitted to cyclic loads. A non-uniform elastic-plastic stabilized state is calculated and introduced, by projection of the mechanical fields onto the finite element mesh, in the crack propagation simulation. All this strategy has been implemented in CAST3M and is now used to model 3D frictional crack growth under RCF.

Ce travail réalisé dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société ALSTOM Transport porte sur l'étude de la dégradation des voies ferrées urbaines. Les composantes de voie retenus pour cette étude sont le rail et la dalle de voie en béton. Concernant le rail, différents problèmes sont abordés : contact roue – rail, usure du rail, usure ondulatoire du rail, et fatigue de contact de roulement (RCF) du rail. Un outil numérique avec des interfaces graphiques, nommé CONUS, est développé pour le problème de contact roue – rail et le problème d'usure du rail. Des théories classiques (Hertz, Kalker, Archard, etc.) sont implantées dans cet outil. La méthode stationnaire est implantée dans un code de calcul par éléments finis pour étudier l'état asymptotique de l'acier du rail sous le chargement répété des trains. Ceci nous permet de prédire les régimes de RCF du rail. La mécanique de l'endommagement est utilisée pour prédire la fatigue du matériau béton. Le formalisme de Marigo couplé avec le modèle d'endommagement de Mazars permet de modéliser la dégradation progressive de la rigidité du matériau sous chargement cyclique. Une campagne d'essais de fatigue du béton en flexion a été réalisée. Elle a pour but de valider le modèle théorique et d'identifier les paramètres du matériau. Le dimensionnement d'une dalle de voie en béton a fait l'objet d'une application de cette méthode. Le modèle de réseau de poutres (lattice model) a été utilisé pour étudier la propagation des fissures dans les structures en béton. Ce modèle a été implanté dans le logiciel de calcul par éléments finis, CESAR-LCPC. Les résultats numériques (propagation de fissures) obtenus pour les structures simples sous chargement statique sont en tout point comparables avec les résultats d'essais expérimentaux. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier la fissuration sous chargement de fatigue. Pour cela un modèle d'endommagement simple modélisant la dégradation des éléments «poutres» s'est avéré suffisant pour décrire la cinématique de propagation des fissures / This work is part of the collaboration between the laboratory Navier (UMR ENPC /IFSTTAR/ CNRS) and ALSTOM Transport company (TGS/Trackway). It focuses on the study of the degradation of urban railways. The components of track considered in this study are the rail and the concrete slab. Regarding the rail, different problems are discussed : wheel – rail contact, rail wear, rail corrugation and rolling contact fatigue (RCF). A numerical tool with graphical interfaces, called CONUS, is developed to predict the behaviour of the wheel - rail contact, the rail wear, and the rail corrugation problems. Classical theories (Hertz, Kalker, Archard, etc...) are implemented in this tool. The stationary method is implemented in a finite element software to study the asymptotic state of the rail steel under repeated loading of trains.The damage mechanics is used to predict the fatigue life of concrete. Marigo's formalism coupled with Mazars' damage model is used to predict the gradual degradation of material stiffness under cyclic loading. A campaign of fatigue tests for concrete in bending was conducted. It aims at validating the theoretical model and identifying material parameters. We applied this method in order to design the concrete slabs of urban railway. The lattice model was used to study the crack propagation in concrete structures. This model was implemented in the finite element software, CESAR-LCPC. The numerical results obtained for simple structures under static loading are consistent with the results of laboratory experiments. This model was then used to study the crack propagation under fatigue loading. For that purpose, a simple damage model of degradation of the "beams" elements describes the kinematics of crack propagation with a satisfying accuracy

Achieving sustainable lubrication by using environmentally friendly formulated lubricants has became an essential component of the transition process from fossil-powered vehicles to electrified transportation. Mixtures, or aqueous solutions of molecules such as polyhydroxy alcohols, and glycols usually known as green lubricants make it possible to achieve low friction coefficients under different lubrication conditions, which constitutes a potential alternative to improve the tribological performance of moving parts in automotive systems, at the same time that the environmental requirements are satisfied. There is a need to improve the protection against mild-wear and micropitting offered by green-lubricants before consider using them in the transmission gear box of battery electric vehicles BEVs, where their low shear-stress resistance can potentially help to improve the vehicle efficiency. Therefore, this research work aims to gain understanding of the tribological behaviour of rolling-sliding elements under glycerol-based lubrication, with focus on assessing the influence of different glycerol-based lubricant formulations on the wear modes associated to rolling contact fatigue such as micropitting, and macropitting.  Micropitting tests were carried out by using a micropitting rig, with a roller on ring planetary configuration. The evolution of microcracks, and micropitting was studied for several glycerol-based lubricants at different slide-to-roll ratios (SRRs) 5-30%, and different load contact conditions 1.5-2.5 GPa. A comparison against a fully formulated transmission oil has been performed. A relationship between the surface damage morphology and the operating conditions has been established. The lubrication regimes of DLC coated contacts and uncoated contacts in presence of glycerol-based lubricants were investigated through the construction of 3D friction maps, and Stribeck curves in a wide range of rolling speeds, and SRR testing conditions. The capability of two different DLC coating systems to prevent micropitting onset due to rolling contact fatigue in presence of glycerol-based lubricants was studied: Cr/a-WC:H/a-C:H and a-C:Cr.  Under mixed-lubrication regime it was found that a reduction up to 51% of friction can be achieved by using glycerol-based lubricants compared to a commercial transmission oil. The initial low friction coefficients at low contact cycles was attributed to the low pressure-viscosity coefficient of the glycerol-based lubricants. Friction was even further reduced with the increasing contact cycles since glycerol aqueous solutions were found to promote mild-wear, causing a smoothing of the surface asperities and therefore an enhancement of the hydrodynamic effect due a higher lambda ratio (Λ), making possible to trigger superlubricity in the contact. Surface micro-cracking was found to decrease at low SRR values under glycerol-based lubrication contrasted to the contacts lubricated with a fully formulated transmission oil. Once microcracks were nucleated, micropitting progressed faster in the contacts lubricated with glycerol-based lubricants, while micropitting was null or significantly delayed in presence of transmission oil. With the increasing SRR surface microcracks density and micropitting was found to became higher. The reduction of microcracks density with a glycerol-glycol based lubricant was attributed to the adsorption of long glycol molecules on the steel surface that avoid the direct interaction between asperities. The faster micropitting progression was attributed to the presence of dissolved water in the contact. Thin DLC a-C:Cr coatings were shown to significantly mitigate the penetration of surface initiated pits into the steel substrate, which was translated in a lower volume loss. Local micro-delamination was found to be the main reason behind coating failure in presence of glycerol-based lubricants, as a result, pitting took place on the steel exposed areas.

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Hypoid gears have been used extensively in automobiles, aerospace, marine and other applications for decades. The special advantages of hypoid gears come with inherent contact complexities of varying curvature and sliding in both profile and lengthwise direction. Spalling failure is catastrophic and needs to be addressed with deeper roots in gear design. Analytical methods present several limitations. Iterative development from experimentation is expensive and time consuming with different nonlinear parameters difficult to interpret. This thesis aims to develop a method to calculate contact fatigue life for initiation of spalling using finite element methods. Experiments have played a major role in understanding the causal factors for failure, determining the fatigue life and to study the major system design parameters. A failure analysis of the fractured flank is performed. It clarified the design causal factors for failure and the mechanism of failure. Pinion being the vulnerable part is the focus of this thesis, a finite element model was developed on ANSOL HFM and the residual stresses were superposed on MSC Marc. A finite element fatigue analysis is performed on FEMFAT and the component fatigue life is determined. The calculated fatigue life is compared with physical testing results using Weibull statistical analysis in combination with probabilistic bearing life models to formulate emphatical correlation methods. The goal of this thesis is to establish a method to estimate fatigue life by taking up example of computing subsurface fatigue life of a hypoid pinion. The influence factors like the method of contact analysis, different types of residual stresses due to case hardening and shot peening, fatigue criteria, friction, material properties are studied in this thesis to develop a conscience for the methodology to computing contact fatigue life. The bulk material properties based on hardness represented fatigue properties more accurately. Scaled normal stress in critical plane fatigue criteria was found more suitable for contact analysis with pre-stresses and multi-axial non-proportional contact stress state on FEMFAT. Finite element based contact analysis method was found to be more suitable for subsurface fatigue life estimation despite the inherent advantages of the hybrid surface integral method and its accurate representation of friction. It was found that inclusion of friction in model did not change the fatigue life significantly, showing that the influence of hardness, surface topographies lubrication and contact temperature on shear stresses are too large to be neglected. Contact fatigue life increased by a factor of 4.4 times due to shot peening of gears in comparison with case hardening indicating the influence of residual stresses. For the estimation of fatigue life at the initiation of failure, a complete correlation with the fatigue test results could not be achieved and reasons for deviations were clearly identified. The area of damage indicated by this computation method correlated with the damage observed during tests. The observations and calculations indicated premature failure of pinion with explanation of mechanism of failure of pinion flank using contact conditions. / Hypoidväxlar har använts i stor utsträckning i bilar, flyg-, marin- och andra applikationer under årtionden. De speciella fördelarna med hypoidväxlar kommer med inneboende kontaktkomplexitet med varierande krökning och glidning i både profil och längdriktning. Spallingfel är katastrofala och måste hanteras med grundlig redskapsdesign. Analytiska metoder har flera begränsningar. Iterativ utveckling baserad på experiment är dyrt och tidskrävande med olika icke-linjära parametrar som är svåra att tolka. Denna avhandling syftar till att utveckla en metod för att beräkna kontaktutmattningslivslängden för initiering av spalling med finitaelementmetoden. Experiment har spelat en viktig roll för att förstå orsaksfaktorerna för fel, bestämma utmattningslivslängden och för att studera de viktigaste systemdesignparametrarna. En felanalys av den skadade kuggflanken utfördes, vilket förtydligade felens orsaksfaktorer och den underliggande felmekanismerna. Driften är fokus för denna avhandling, en finitaelementmodell utvecklades med ANSOL-HFM och restspänningarna överlagrades med FEM-verktyget MSC-Marc. En slutlig elementutmattningsanalys utfördes med FEMFAT och komponentens utmattningstid bestämdes. Den beräknade utmattningslivslängden korrelerades med fysiska provningsresultat genom att tillämpa statistisk Weibullanalys i kombination med probabilistiska livslängdsmodeller. Målet med denna avhandling är att utveckla en metod för att uppskatta utmattningslivslängden och att tillämpa metoden för att beräkna bulkmaterialets utmattningslivslängd för ett hypoidrev. Påverkningsfaktorer som metoden för kontaktanalys, olika typer av restspänningar på grund av ythärdning och kulblästring, utmattningskriterier, friktion, materialegenskaper studeras i denna avhandling för att utveckla denna metod för att prediktera kontaktutmattningslivslängden. Bulkmaterialegenskaperna för hårdhet representerade utmattningsegenskaperna mera exakt. Skalad normalspänning i kritiska planutmattningskriterier befanns vara mer lämplig för kontaktanalys med förspänningar och multi-axiell icke-proportionell kontaktspänningsstatu än andra egenskaper med FEMFAT. Metodbaserad kontaktanalysmetod visade sig vara mer lämplig för uppskattning av ytutmattningslivslängd trots de inneboende fördelarna med hybridytaintegralmetoden och dess mera exakta friktionsrepresentation. Det visade sig att inkludering av friktion i modellen inte markant förändrade livslängden, vilket visade att påverkan av hårdhet, smörjning av ytorna och kontakttemperatur på skjuvspänningarna är för stor för att försummas. Kontaktutmattningslivslängden ökade med en faktor 4,4 gånger på grund av kugghjulning jämfört med ythärdning, vilket indikerar restspänningspåverkan. För att uppskatta utmattningslivslängden vid inledningen av ytfel kunde en fullständig korrelation med utmattningstestresultaten inte uppnås och orsakerna till avvikelser identifierades tydligt. Det skadade område som indikeras av denna beräkningsmetod korrelerade väl med den skada som observerades under testerna. Observationerna och beräkningarna indikerade tidigt fel i kuggen med förklaring av mekanismen för fel hos kuggflanken med hjälp av aktuellt kontaktförhållande.

La nitruration gazeuse est utilisée par les fabricants d’engrenages pour traiter la surface des dentures. En effet, l’augmentation de la dureté et l’introduction de contraintes résiduelles de compression contribuent à retarder voire inhiber l’initiation et la propagation des fissures superficielles de fatigue de contact. Cependant la majorité des aciers alliés présentent des réseaux de précipités de carbures dans la couche nitrurée. Ceux-ci ont la particularité de se retrouver aux joints de grains relativement parallèles à la surface, ce qui leurs ont attribué les surnoms de «liserés de carbures». Associés à une phase dure et fragile, ces carbures constituent des zones d’hétérogénéités. Par ailleurs, la norme pour la qualité des matériaux d’engrenages autorise une large gamme de tailles de grains, conduisant à diverses microstructures pour les couches nitrurées des aciers alliés. En effet, la morphologie des réseaux de carbures après nitruration dépend entre autres de la taille de grain de l’acier. De par le manque de travaux sur l’impact réel de ces précipités sur la fatigue de contact, la présente étude propose des analyses d’essais. Les essais consistent à reproduire de l’écaillage initié en surface sur des éprouvettes dont les couches nitrurées, issues d’un seul traitement thermochimique, présentent les mêmes propriétés mécaniques (dureté et contraintes résiduelles) mais différentes propriétés microstructurales (tailles de grains et morphologies de carbures). Les analyses ont permis de proposer des mécanismes d’initiation de micro-fissures induites en proche surface sous les conditions d’essai appliquées. Les sites d’initiation dépendent de la taille de grain de l’acier et peuvent en particulier s’établir au niveau des carbures intergranulaires. L’étude des réseaux de fissures couplée à l’analyse des contraintes résiduelles a permis d’établir des scénarii de propagation des fissures dans les couches nitrurées. Sous les conditions de contact appliquées, l’apparition de déformation plastique entraîne, par accommodation des variations de volume, la relaxation des contraintes résiduelles compressives initialement présentes dans le matériau, aux profondeurs les moins sollicitées. Ces contraintes étant moins compressives, elles libèrent les micro-fissures déjà présentes en proche surface. Dès lors, la propagation au travers des carbures qui s’apparentent à des sites privilégiés pour la croissance des fissures en cours de fatigue est possible. En particulier, ces précipités entraînent les fissures vers le cœur lorsqu’ils sont en forte densité dans les couches nitrurées, tandis que l’endommagement reste superficiel lorsque l’éloignement entre les précipités est trop important. Enfin, la continuité et la longueur des carbures augmentent localement la vitesse de propagation des fissures. Ceci se traduit par l’apparition plus rapide de l’écaillage initié en surface pour les couches nitrurées de microstructures grossières. / Gas nitriding is a thermochemical surface treatment widely used by gear manufacturers to improve the rolling contact fatigue endurance of their components. Indeed, increasing the hardness and introducing compressive residual stresses to the geartooth surfaces inhibit or delay crack initiation and propagation. However, most of the alloyed steel nitrided layers show the presence of intergranular carbide networks. The precipitation of these carbides specifically occurs at parallel grain boundaries during the treatment and, being a carbon-rich phase, they are associated to tough and fragile heterogeneities. Besides, standards for gear material quality recommend a broad range of steel grain sizes which lead to various possible microstructures on gear components after nitriding. Indeed, the intergranular carbide network morphology depends on the steel grain size. Since there is no evidence regarding the real effect of the carbides on rolling contact fatigue, this work presents experimental investigations carried out on a twin-disc machine. The tests consist in reproducing surface-initiated pitting on specimens whose nitrided layers, obtained by a unique thermochemical surface treatment, display similar mechanical properties (hardness and compressive residual stresses) but different microstructures (grain sizes and carbide network morphologies). The first analysis resulted in suggesting the micro-crack nucleation mechanisms. In this study, the test conditions were chosen to induce these micro-cracks near the disc surfaces. For a given contact stress field, nucleation sites depend on the steel grain size and can take place at intergranular carbides. Investigations of crack networks led on cross sections and 3D observations by means of high energy X-ray computed tomography, coupled with compressive residual stress evolution analysis, help the authors proposing the rolling contact fatigue crack propagation scenarios in nitrided layers. When contact shear stresses locally exceed the material micro-yield shear stress limit, micro-deformations arise and add compressive residual stresses to the treated layers. To accommodate these volume variations the compressive residual stresses, initially induced by nitriding, release at depths where contact stresses are lower. The pre-existing residual stresses being less compressive, micro-cracks near the surface can propagate through the carbides that act as preferential crack growth sites. When the nitrided layers display high carbide density, the intergranular precipitates drag the cracks toward the core, whereas rolling contact fatigue failures are limited to the near surface when the distance between the precipitates is too important. Finally, the length and the continuity of the carbides, linked to the steel grain size, locally increase the crack propagation speed. This gives rise to a lower endurance to surface-initiated pitting in coarse microstructures.