Thesis : Hugo LANNAY

Ce travail de recherche porte sur l’étude de l’impact de la microstructure sur le phénomène de fissuration dans le cas d’une sollicitation de fretting simple. Du fait des forts gradients de contraintes induits par le contact, les critères usuellement appliqués ont tendance à surestimer le risque d’amorçage de fissure, conduisant à un surdimensionnement des pièces métalliques dans l’industrie. La méthode de la distance critique propose une approche non-locale pour pallier ce problème.

L’approche de ces travaux de thèse repose sur un couplage expérimental/numérique permettant d’estimer la distance critique optimale pour différentes configurations (tailles de grains, gradients de contraintes, longueurs d’amorçage). Trois rayons de cylindre sont sélectionnés pour discuter l’effet du gradient de contraintes. Cinq tailles de grains d’un acier C35 sont obtenues par traitements thermiques et retenues pour étudier l’effet de la microstructure. Pour chacune, les caractéristiques mécaniques sont déterminées grâce à des essais de traction monotone, de dureté et de fatigue en traction-compression. Des essais cycliques plastiques sont réalisés pour identifier les lois de comportement élasto-plastique des matériaux.

Les essais de fretting simple cylindre/plan révèlent une différence de comportement en amorçage et en propagation pour les différentes microstructures – analogues à celle observable en fatigue – et pour les différents gradients. Les courbes de longueurs d’amorçage en fonction de l’amplitude de force tangentielle appliquée permettent de définir un seuil d’amorçage dépendant de la longueur critique d’amorçage considérée. Un calcul éléments finis 3D du contact est réalisé dans lequel est insérée une entaille représentative d’une fissure réelle obtenue après essai de fretting simple. Par une méthode d’identification inverse, les facteurs d’intensité des contraintes sont calculés et les propriétés d’arrêt de fissuration sont obtenues pour l’ensemble des microstructures.

Les seuils d’amorçage sont implémentés dans un calcul éléments finis 2D du contact afin d’estimer les champs de contraintes dans le matériau pour les différentes configurations. Le choix a été fait de considérer le critère de fatigue multiaxiale SWT comme critère pour déterminer la distance critique optimale. Si la distance critique semble stable avec le gradient de contraintes, une dépendance à la taille de grains est observée. Cette dépendance varie elle-même en fonction de la longueur critique d’amorçage choisie. Les résultats soulignent également l’importance de prendre en compte le caractère élasto-plastique du comportement de l’acier étudié pour rendre compte au mieux du phénomène d’amorçage en fretting.

Mots-clés : fretting, fatigue, amorçage, microstructure, distance critique, éléments finis