Les alliages à base nickel sont utilisés dans les centrales nucléaires pour la fabrication des tubes générateurs de vapeur, parce qu’ils présentent une bonne résistance aux sollicitations mécaniques élevées dans un milieu corrosif à haute température. La résistance au milieu corrosif est attribuée à une couche protectrice très fine de Cr2O3 qui se forme à la surface de l’alliage. Les tubes générateurs de vapeur comptent parmi les composants les plus délicats à entretenir, d’une part, du fait de leur importance pour la sûreté et, d’autre part, parce que les tubes d’échange sont soumis à de nombreux mécanismes de dégradation à cause de conditions sévères de fonctionnement.. L’objectif de cette étude a été d’évaluer et de comparer le comportement en tribocorrosion de deux alliages modèles Ni – 15%Cr et Ni – 30%Cr. Ces alliages ont été utilisés pour mettre en évidence, évaluer et comparer l’influence de la teneur en chrome sur la formation de la couche d'oxyde superficielle et le rôle de cette dernière sur les mécanismes et cinétiques d'usure par tribocorrosion. L’étude de la tribocorrosion a été effectuée à l’aide d’un tribomètre pion – disque par application d’un frottement unidirectionnel, en régime continu et intermittent en milieu aqueux boré – lithié à la température ambiante. La dégradation de la couche protectrice formée à la surface des deux alliages a été suivie en mettant en œuvre un protocole expérimental en trois étapes. Dans la première étape du protocole, le suivi de l’évolution du potentiel libre et l’enregistrement des diagrammes d’impédance électrochimique ont été utilisés pour analyser le comportement électrochimique des deux alliages en absence de frottement. Lors de la deuxième étape, les mêmes techniques électrochimiques ont été employées en présence d’un frottement continu et pour différentes pressions de contact. Durant l’étape trois du protocole, des essais de tribocorrosion en régime de frottement intermittent ont été réalisés pour mettre en évidence la capacité d’auto cicatrisation de la surface des deux alliages modèles. Pour les deux alliages Ni - Cr, les essais de tribocorrosion ont mis en évidence une augmentation de l’usure totale avec la pression de contact appliquée. Quel que soit la force normale appliquée, la principale composante de l’usure totale est l’usure mécanique du substrat mis à nu. L’usure purement corrosive du substrat diminue avec l’augmentation de la teneur en chrome. Du point de vue qualitatif, le principal mécanisme d’usure identifié a été l’usure abrasive par micro - labourage. Dans cette étude a été effectuée une étude de l’usure d’alliages modèles Ni – Cr, dans les conditions de tribocorosion, ainsi que une analyse du mécanisme et la cinétique d’usure. Le comportement de la couche superficielle d’oxyde de chrome et son effet sur la résistance à la tribocorrosion ont été évalués. Ces résultats peuvent servir de base à la compréhension de l’origine des problèmes qui peuvent apparaître pendant la vie d’un alliage inoxydable à base nickel soumis à des efforts mécaniques en milieu agressifs et permettre une sélection plus pertinente des matériaux métalliques pour diverses applications industrielles, particulièrement dans le domaine nucléaire. / Some components of nuclear power plants, as steam generator tubes are made from Ni base alloys. These components are exposed to severe environment of high temperature and high pressure and submitted to contact mechanical stresses. These Ni – based alloys properties are determined by their ability to form on their surface an inner protective barrier film mainly composed of Cr2O3. The steam generator tubes are among the most difficult components to maintain, on the hand, because of their safety importance and secondly, the exchange tubes are subject to various degradation mechanisms, because of the harsh conditions of work. Wear by tribocorrosion is a physicochemical aging mechanism which occurs in the management of the nuclear power plants life time.Tribocorrosion is an irreversible process which involves mechanical and chemical / electrochemical interactions between surfaces in relative motion, in the presence of a corrosive environment. The goal of this study was to quantify in terms of quantity and quality the wear generated by tribocorrosion process on Ni – Cr model alloys. Two model alloys: Ni -15Cr and Ni -30Cr were used to highlight, evaluate and compare the influence of the chromium content on the formation of the protective oxide layer and the role played by the latter one on the kinetics and mechanisms of wear by tribocorrosion. The tribocorrosion experiments were performed by using a pin -on–disc tribometer under controlled electrochemical conditions in LiOH – H3BO3 solution. The corrosion – wear degradation of the protective layer during continuous and intermittent unidirectional sliding tests was investigated by a three-stage tribocorrosion protocol. In the first stage, electrochemical techniques (open circuit potential measurements and electrochemical impedance measurements) were used without applying unidirectional sliding to monitor and evaluate the characteristics of protective oxide layer formed on the surface of the two model alloys. In the second stage, the same electrochemical techniques were employed during the application of the unidirectional sliding test to evaluate the total material loss for different applied contact pressures. In the last stage of the experimental procedure the self healing process was investigated by intermittent unidirectional sliding tests.The total material loss after a tribocorrosion experiment, determined by profilometric measurements, is the sum of two components: the material loss due to corrosion of active material in the wear track, which can be calculated fro, the corrosion current values given by impedance measurements; applying Faraday’s law, and the material loss due to mechanical wear, the difference between total material loss and the material loss due to corrosive wear. Experiments proved that the total material loss increases with the increase of the contact pressure in both cases of Ni – Cr model alloys. The prevailing contribution in the total volumetric material loss is the material loss due to mechanical wear of active material in the sliding track. Nevertheless, the increase of the chromium content improves the resistance to the corrosive wear of active material in the sliding track. From qualitative viewpoint, a mechanism of abrasive wear by micro-ploughing was revealed in the sliding tracks.

Ces travaux de thèse concernent l'étude du contact à grande vitesse pouvant intervenir entre le pied de l'aube et l'alvéole du disque (tous deux en Ti6Al4V) de la soufflante du turboréacteur CFM56. Le comportement et les modes d'endommagement associés à ce type d'événements restent méconnus et peu traités dans la littérature. L'utilisation d'un tribomètre spécifique adapté sur un banc balistique, d'un thermocouple feuille-pièce et de modélisations numériques (éléments finis) ont permis d'étudier les liens existants entre vitesse, pression, température et efforts de frottement. Les endommagements induits ont ensuite été analysés en étudiant l'usure et l'évolution de la microstructure en sous surface (MEB, Imagerie 3D et EBSD). Une modélisation semi-analytique basée sur le cisaillement adiabatique des aspérités a été développée pour étudier l'évolution de la taille de la surface réelle de contact. En associant ce modèle à deux essais expérimentaux, des enveloppes inférieures et supérieures de l'évolution du coefficient de frottement pour une large gamme de vitesse de glissement ont été calculées. Ce travail de thèse est le fruit d'une collaboration entre la société Snemca, le LaBPS (Laboratoire de mécanique, Biomécanique, Polymères et Structure) et le LEM3 (Laboratoire d'étude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux) / In case of exceptional events in aircraft engines (bird ingestion or blade disassembly), blade motions induce sliding at the interlock between the blade root and the slot of the fan rotor. The interface then undergoes quasi-instantaneous sliding under high normal pressure. This thesis work was initiated to investigate this phenomena and deals therefore with extreme sliding interactions for a Ti6Al4V tribopair (aircraft engine CFM56). Interface behavior and wear modes associated to these extreme thermomechanical loads remain poorly studied in literature. Links between velocity, pressure, temperature and friction force have been investigated by using a specific tribometer adapted on a ballistic bench, a foil-workpiece thermocouple and finite elements analysis. Induced damage were then analyzed by studying wear and microstructure evolutions (SEM, nanotomography and EBSD). A semi-analytical model, based on adiabatic shearing of asperities, has been proposed to evaluate the evolution of the real area of contact. By associated the latter with two experimental tests, upper and lower estimations of the mean friction force for a large velocity range can be calculated. This work is the result of collaboration between aircraft manufacturer Snecma, the LaBPS (Laboratory of Mechanics, Biomechanics, Polymers and Structures) and the LEM3 (Laboratory of Microstructure and Mechanics of Materials)

L'objectif est l'étude de la corrosion et de l'usure des pinces à couper les ligatures au cours des cycles de stérilisation en respectant les normes concernant l'inactivation du prion. Le matériel consiste en 3 lots de 25 pinces à couper les ligatures à mors rapportés provenant de 3 fournisseurs différents (Dentaurum®, ETM® et RMO®), du fil de ligature de diamètre .010 pouces, soit 0,25mm, en acier inoxydable, et enfin 5 produits de prédésinfection (Ampholysine Plus®, Elusept®, Dy Septi®, Prédolyse®, Dentasept Ultra®). Après caractérisation des pinces (étude de la composition, de la dureté, et de la structure) puis des produits de prédésinfection (étude de la composition et du pH) la susceptibilité à la corrosion de chaque partie de ces pinces a été analysée, avec réalisation de couplages galvaniques de ces différents éléments. Le comportement électrochimique des pinces dans leur globalité a été étudié par immersion dans les différents produits de prédésinfection, ainsi que l'usure et l'apparition de traces de corrosion, ceci au fur et à mesure des cycles de stérilisation. L'observation des pinces a mis en évidence de faibles modifications aussi bien en termes de corrosion que d'usure. Quelque soit la marque des pinces, ou le produit de prédésinfection, la résistance au cours des cycles de stérilisation est satisfaisante. / The aim of this work was to assess the effect of sterilization on ligature-cutting pliers, and more specifically the corrosion and wear of the plier's cutting edges, while respecting prion inactivation norms. Material included one set of 25 ligature-cutting pliers supplied by three major orthodontic distributors (Dentaurum®, ETM® and RMO®), .010 inch stainless steel orthodontic ligature wire and five disinfecting agents (Ampholysine Plus®, Elusept®, Dy Septi®, Prédolyse®, Dentasept Ultra®). Pliers (chemical composition, Vickers hardness, crystalline network) and disinfecting agents (chemical composition, pH) were initially characterized. Corrosion susceptibility of each single part of the different pliers was then analyzed, and galvanic coupling performed. Electrochemical behaviors of the whole pliers were studied by immersion in the various disinfecting agents. The pliers corrosion and wear were also observed with increasing number of sterilization cycles. Resistance to corrosion during sterilization cycles was found to be satisfactory, all pliers and disinfecting agents included.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

L'étude ferroviaire présentée dans ce mémoire traite de trois types de dégradations de profils des roues et des rails en service. Comme tous les solides devant assurer une liaison par contact, les roues et les rails ferroviaires sont affectés par des dégradations telles que l'usure et la fatigue. Dans un premier temps, on s'intéresse à l'usure régulière des profils des roues et des rails. Ce type d'usure influence en particulier la stabilité des véhicules, donc le confort et la sécurité. Nous exposons notre modèle de simulation numérique de l'usure transverse des profils ; sa validation étant assurée par des applications à des profils mesurés sur le réseau S.N.C.F. Nous abordons ensuite le phénomène d'usure irrégulière longitudinale des roues à grande vitesse. Nous traitons cette partie avec de nouvelles hypothèses sur un mécanisme d'apparition d'ondulations. L'origine de ce phénomène est due au couplage, à travers le contact, de la dynamique transversale des bogies et de la torsion de l'axe des essieux. En nous appuyant sur deux modèles de simulations numériques, nous montrons la validité des hypothèses et nous mettons en évidence le mécanisme d'usure irrégulière longitudinale des roues. La dernière partie est consacrée à la fatigue des rails soumis au contact roulant, on y étudie une forme particulière appelée le Head Checking. Une première phase, basée sur l'étude des efforts de contact dus au comportement en courbes de certains véhicules ferroviaires, nous permet d'isoler les caractéristiques du système véhicule-voie les plus contraignantes. Une seconde étape consiste à étudier les conditions d'amorçage des fissures par deux approches : le critère de Dang Van et la mécanique de l'endommagement. Les résultats obtenus nous permettent de proposer des dispositions qui semblent appropriées à la lutte contre le Head Checking.

La thèse a pour thème la modélisation numérique et la prédiction de l'endommagement (l'usure ou la fissuration) dû au contact avec frottement avec petits débattements (fretting). Elle comporte deux parties. Dans la première partie, une nouvelle méthode de calcul éléments finis est développe pour les chargements cycliques. Contrairement aux algorithmes classiques incrémentaux, cette méthode est basée sur un algorithme original qui permet d'obtenir directement l'état stabilisé mécanique éventuel. La méthode est itérative et consiste à chercher sur tout le cycle de chargement, en un premier temps des solutions statiquement et cinématiquement admissibles, et puis après des solutions plastiquement admissibles. A la fin de chaque itération, la condition de périodicité est imposée. Et ainsi, lorsque l'algorithme converge, on obtient des champs de contraintes et de déformations périodiques et vérifiant l'équilibre et la loi de comportement sur tout le cycle. La comparaison des temps de calculs par rapport à la méthode incrémentale a démontré la performance de cette méthode. Dans la deuxième partie, cette méthode est mise en oeuvre dans le cas du chargement cyclique mobile de fretting. Ainsi des cartes d'adaptation et d'accommodation sont établies en fonction de divers paramètres. Les résultats de prédiction de l'initiation des fissures de fatigue faite par l'application du critère multiaxial de DANG VAN sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux. L'usure est obtenue pour une réponse mécanique de type accommodation et elle est donc le résultat d'un mécanisme de fatigue oligocyclique.

Grâce à ses propriétés d'antioxydant, d'anti-usure et éventuellement d'extrême pression le dithiophosphate de zinc (ZDDP) fait partie des additifs les plus utilisés dans les lubrifiants pour moteurs thermiques. De nos jours, dans un souci de respect de l'environnement, de nouveaux lubrifiants possédant de bonnes performances en lubrification (frottement faible et usure limitée) sont développés en prenant compte des limitations d'utilisations actuelles du ZDDP. L'idée étant de réduire dans ceux-ci les teneurs en phosphore et soufre (Normes euros VI), éléments essentiels du ZDDP qui endommagent les pots catalytiques. L'objectif de cette thèse est l'étude du comportement tribologique du phosphate de zinc di alkyl (ZP) en comparaison avec le ZDDP. La méthodologie expérimentale étudiée pour comprendre le mécanisme d'action de ces additifs, associe des essais de frottement à descaractérisations physico-chimiques des surfaces frottantes après essais.Cette comparaison a été effectuée en fonction de la température (25°C et 100°C), la vitesse de glissement (25, 50 et 100 mm/s) et la concentration en additif (200 et 600 ppm dephosphore). Les meilleures actions anti-usure sont obtenues avec le ZDDP pour une température de 100°C et une vitesse de glissement de 100 mm/s et le ZP pour une température de 25°C et une vitesse de glissement de 25 mm/s. Les analyses de surface XPS, AES, XANES et MET-EDX ont permis de mettre en évidence la présence d'un film protecteur constitué principalement de phosphate de zinc, ceci pour les deux additifs.Une synergie de comportement tribologique a été mise en évidence avec un lubrifiantconstitué de ZP (usure faible) et d'oléate d'urée (frottement faible). Des essais complémentaires sur un tribomètre dynamique ont permis d'étudier le niveau de frottement du tribofilm formé à partir du ZDDP. Le caractère visqueux du tribofilm de ZDDP a été mis en évidence.

L'excellente biocompatibilité et les remarquables propriétés mécaniques font des biocéramiques une des meilleures options pour les prothèses totales de hanche (PTH). Jusqu'à récemment, le seul dispositif qui permettait d'estimer la durée de vie des PTH était le simulateur de marche. Les PTH ne sont pas uniquement sollicitées en fatigue mais aussi en chocs. Dans ce travail nous avons évalué la durabilité des prothèses de hanche en biocéramique testées sur une machine de chocs. Deux couples tête/cupule ont été testés : alumine/alumine et composite alumine-zircone/alumine. Les essais se sont déroulés à sec et en solution avec une inclinaison de 45° qui correspond à la position anatomique standard de cette articulation. Des bandes d'usure apparaissent sur la tête. Leur localisation et leur rugosité sont similaires à celles retrouvées ex vivo. La machine de chocs reproduit les mécanismes de dégradation des PTH in vivo. L'influence du vieillissement sur la résistance aux chocs a été étudiée. Afin de mieux comprendre la transformation de phase in vivo de la zircone, une grande série d'explants a été analysée. Aucune corrélation entre la transformation de phase et l'augmentation de la rugosité n'a été observée. La transformation de phase de la zircone serait liée aux processus de fabrication (polissage, usinage..). Ce travail constitue une base de données pour les couples zircone/UHMWPE. De la même façon, l'analyse d'explants composites permettrait de valider nos résultats in vitro pour les composites.

Les applications tribologiques des matériaux cellulaires en présence de liquide nécessitent une connaissance de leurs modes d’endommagement, mais elles restent peu connues à l’heure actuelle. L’étude, la compréhension et la modélisation du comportement d’un matériau composite cellulaire nécessitent une approche pluridisciplinaire due au caractère hétérogène du matériau qui reste difficilement caractérisable. Ce matériau peut être analysé suivant 3 axes bien distincts : les propriétés rhéologiques (analyses sous état de déformation complexe en compression et en cisaillement avec des rhéomètres adaptés), la morphologie des alvéoles (analyses 3D optiques et tomographiques), les propriétés tribologiques (analyse en frottement de l'interface et des particules d'usure). L’intérêt majeur de notre approche est d'aborder simultanément ces 3 axes et de comprendre leurs interactions respectives. La tomographie aux rayons X, suivie d’un traitement mathématique assisté par ordinateur, complété par l'analyse des particules d'usure a permis d'identifier les morphologies responsables des fonctions spécifiques du matériau cellulaire. Un tribo-abrasimètre innovant avec des surfaces abrasives modèles a mis en évidence l’importance des cinématiques dans l’endommagement du matériau. Des méthodes de caractérisation ont été mises au point afin de quantifier la dégradation tribologique du matériau permettant également de mesurer l’impact du vieillissement (chimique, thermique et mécanique). / Tribological applications of cellular materials in the presence of liquid require acknowledge of their modes of damage, but they remain little known at present. The study, understanding and modeling the behavior of a composite cell requires a multidisciplinary approach due to the heterogeneity of the material that is difficult to characterize. This material can be analyzed along three distinct axes: the rheological properties (analysis in complex state of deformation in compression and shear with adapted rheometer), the morphology of the cells (3D optical tomographic analysis), the tribological properties (analysis in interface friction and wear particles). The major advantage of our approach is to simultaneously address these three areas and to understand their interactions. The X-ray tomography, followed by computer-assisted mathematical treatment, supplemented by the analysis of wear particles identified morphologies responsible for specific functions of cellular material. A tribo-abrasimeter with innovative models abrasive surfaces highlighted the importance of kinematics in the damage of the material. Characterization methods have been developed to quantify the tribological degradation of the material can also measure the impact of aging(chemical, thermal and mechanical).