Prévision de la distribution des durées de vie en fatigue de roulement à partir des caractéristiques mécaniques et inclusionnaires de l'acier

= Prediction of steel life in rolling fatigue based on mechanical properties and non metallic inclusion content

• Auteur / Autrice : David Piot
• Direction : Gérard Lormand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA ; 1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode de Monte Carlo

Matériaux -- Fatigue

Roulements à billes -- Lubrification

Résumé

L’écaillage profond amorcé en profondeur est le mode de défaillance le plus courant des roulements subissant une fatigue de contact, en conditions de lubrification élasto-hydrodynamique suralimentée et de roulement sans glissement. Il provient des inclusions non métalliques présentes dans le champ des contraintes dû au contact ; elles y provoquent une concentration des contraintes qui entraîne la décomposition de la martensite, dans un domaine localisé, appelé papillon. Cette décomposition est due aux mouvements de va-et-vient des dislocations émises pour accommoder les incompatibilités élastoplastiques entre inclusion et matrice. La non renversabilité de ces mouvements conduit à l’accumulation de dislocations dans le papillon sous l’effet du chargement cyclique. Lorsque leur densité atteint une valeur critique, une fissure apparaît. Cette fissure peut se propager en mode ii jusqu’à la surface et provoquer un écaillage. Dans les conditions particulières de la fatigue de roulement, les processus complexes de l’amorçage et de la propagation des fissures sont modélisés. Ces modélisations s’appuient sur des caractérisations élastoplastiques du comportement monotone et cyclique de l’acier et élastiques des inclusions. Elles intègrent une nouvelle adaptation du modèle de HERTZ pour décrire des contacts présentant une légère plasticité. La caractérisation des populations d’inclusions s’appuie sur l’utilisation conjointe de techniques complémentaires. Cette caractérisation permet d’utiliser les modélisations précédentes dans des simulations de MONTE-CARLO des durées de vie. La concordance entre les résultats d’essais et de simulation autorise une exploitation paramétrique du modèle pour caractériser, en particulier, les effets d’échelle et ceux de la charge appliquée. En outre, les distributions des durées de vie présentent des taux de survie à l’infini incompatibles avec une loi de weibull ce qui nous conduit à proposer une nouvelle formulation de la loi de survie.

The most frequent way of failure for roller bearings is in-depth spalling in the case of fully flooded elasto-hydrodynamic conditions without sliding. It is due to non-metallic inclusions in the stress field induced by the contact. This stress field is concentrated around inclusions and it produces martensite decay in a localised area called butterfly or white etched area. This decay is the result of backward and forward motions of the dislocations emitted to accommodate elastoplastic incompatibilities between the inclusion and the matrix. The non-renversability of these motions leads to dislocations storage in the butterfly under the effect of cyclic loading. When dislocation density reaches a critical value, a crack initiates. This crack can eventually propagate in mode ii up to the surface and cause a spalling, responsible for the bearing failure. In the very peculiar scope of rolling fatigue, the complex process of crack initiation and crack propagation are modelled. These models are based on elastoplastic characterisations of monotonous and cyclic steel behaviour and on elastic inclusion behaviour. More precisely, they include a new modification of HERTZ’s model to describe slightly plastic contacts. The inclusion population characterisation is based on joint use of complementary techniques. This characterisation allows the use of those models in fatigue test MONTE-CARLO’s simulations. The agreement between tests and simulation results allows a model parametric analysis to clarify scale effects, applied load effects and behaviour for small failure rate. Moreover, life time distributions have survival rate on infinity. This does not agree with a WEIBULL’s law. It leads us to propose a new bearing survival analytical probability law.