L'effet du gradient en fretting fatigue

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.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