Tribological analysis of White Etching Crack (WEC) failures in rolling element bearings

par Arnaud Ruellan Du Crehu

Thèse de doctorat en Mécanique - Tribologie

Sous la direction de Xavier Kleber et de Fabrice Ville.

Soutenue le 05-12-2014

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, UMR 5259 (Lyon, INSA) (laboratoire) et de Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures / LaMCoS (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Fillon.

Le jury était composé de Xavier Kleber, Fabrice Ville, Michel Fillon, Gerhard Poll, Jorge H.O. Seabra, Motohiro Kaneta, Bernard Liatard.

Les rapporteurs étaient Gerhard Poll, Jorge H.O. Seabra.

  • Titre traduit

    Analyse tribologique des défaillances de roulements par fatigue de contact de type White Etching Cracks (WEC)


  • Résumé

    Malgré les innovations technologiques, les éoliennes restent sujettes à des défaillances prématurées de composants mécaniques imposants, ayant des conséquences considérables sur le coût de l’énergie. Parmi les défaillances majeures au sein des roulements d’éoliennes, un mode de fatigue de contact atypique se caractérise par de vastes réseaux de fissures ramifiées avec des phases microstructurales adjacentes d’apparence blanche à l’origine de la dénomination White Etching Cracks (WEC). Contrairement à la fatigue de contact classique, les WEC apparaissent pour un nombre de cycles et des charges relativement faibles, menant à une défaillance du composant imprévisible selon les modèles de durée de vie actuels. Les WEC ont été observés chez tous les roulementiers, dans diverses applications industrielles et pour différents types de roulements, éléments, lubrifiants, aciers et traitements thermiques. Ce manque de dénominateur commun rend les WEC difficilement reproductibles sur bancs d’essai sans chargement artificiel en hydrogène de l’acier. Ainsi, pour le moment, la formation des WEC ne fait pas l’objet d’un consensus. Une analyse des reproductions de WEC a été menée afin d’en comprendre les mécanismes tribologiques. Des protocoles expérimentaux ont été établis pour révéler les WEC, souvent situés à des positions inhabituelles par rapport au contact. Leur reproduction sur des roulements standards, chargés ou non en hydrogène, a permis de démontrer que le chargement artificiel en hydrogène, jusque-là couramment employé pour étudier la défaillance, reproduit des faciès identiques mais semble modifier l’initiation des WEC. Ainsi, des reproductions de WEC sans chargement en hydrogène et dans des configurations différentes ont été comparées afin d’appréhender les phénomènes tribologiques à l’origine des WEC. Les résultats suggèrent que l’initiation est principalement déclenchée par des phénomènes de surfaces avec l’absorption tribochimique d’hydrogène au niveau des surfaces métalliques fraîches sur la piste de roulement ou au niveau des flancs de microfissures superficielles. La propagation est ensuite assistée chimiquement par l’hydrogène concentré en pointe de fissure. Un arbre des causes étendu révèle que les WEC peuvent être associées à de multiples combinaisons de conditions opératoires qui semblent cependant conduire à des paramètres tribologiques similaires à l’échelle du contact avec, notamment, des cinématiques de glissement, des formulations de lubrifiants spécifiques et des paramètres tribochimiques catalyseurs comme la présence d’eau et/ou d’électricité. Une vaste campagne d’essai a alors été conduite sur un tribomètre bi-disques afin de simuler la fatigue de contact. Les résultats confirment que les facteurs influents identifiés ne sont pas pour autant auto-suffisants. La formation des WEC repose sur un équilibre instable entre aspects matériaux, mécaniques et tribochimiques, à maîtriser pour concevoir des solutions industrielles.


  • Résumé

    Despite constant expansion and engineering progress, wind turbines still present unexpected failures of heavy duty mechanical components drastically affecting the cost of energy. Among the most prevalent tribological failures in wind turbine rolling element bearings, a peculiar rolling contact fatigue mode has been associated to broad subsurface three-dimensional branching crack networks bordered by white etching microstructure, and thus named White Etching Cracks (WEC). Compared to conventional microstructural alterations, WECs tend to develop at moderate loads and cycles eventually leading to premature failures that remain unpredictable using fatigue life estimations. Far from being generic to specific manufacturers, WECs occur in various industrial applications, for various bearing types, components, lubricants, steels grades and heat treatments. As WEC occurrences present no common evident denominator, they remain delicate to reproduce on laboratory test rigs without prior artificial hydrogen charging, so that no consensus on WEC formation mechanisms have been confirmed yet. In this study, a thorough tribological analysis of WEC formation mechanisms has been led. Expertise protocols have been established to best reveal and observe WECs that commonly develop at unconventional locations versus the contact area. First analysis of WEC reproductions on standard rolling element bearings either hydrogen precharged or kept neutral have signified that artificial hydrogen charging, commonly employed to apprehend the failure mode, results in similar WEC morphologies but tends to alter WEC tribological initiation. In consequence, WEC reproductions in remarkably different configurations but without hydrogen charging have been compared in order to propose a better understanding of WEC surface-affected formation mechanisms: first, initiation via tribochemical hydrogen permeation at nascent steel surfaces formed either directly at the raceway or at surface microcracks flanks and second, propagation by local hydrogen embrittlement at crack tips function of the stress state. An extensive root cause analysis have then been led suggesting that WEC may be associated to various combinations of macroscopic operating conditions that often interact and come down to similar tribological parameters including high sliding energy thresholds, specific lubricant formulations and tribochemical drivers such as water contamination and/or electrical potentials. Further investigations on a minimalist twin-disc fatigue tribometer have provided additional evidence that WEC influent drivers are non-self-sufficient, supporting that WEC formation mechanisms rely on a subtle equilibrium between tribo-material, tribo-mechanical and tribo-chemical drivers that all should be mastered to design efficient and durable countermeasures.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc’INSA. Bibliothèque numérique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.