Thèse soutenue

Contribution à la modélisation de la durée de vie des roulements à partir des caractéristiques inclusionnaires des aciers : concentration, morphologie, propriétés mécaniques

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Auteur / Autrice : Alexandre Stienon
Direction : Jean-Yves BuffièreAlain Vincent
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Matériaux
Date : Soutenance en 2009
Etablissement(s) : Lyon, INSA
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne1992?-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône)

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Malgré les efforts importants entrepris par les aciéristes pour augmenter la propreté inclusionnaire de leurs aciers, la présence d’inclusions en sous-couches de roulements et butées à billes demeure responsable de nombreux écaillages, qui limitent leurs durées de vie. Pour tout aciériste, être capable de prédire la durée de vie de roulements en fonction des caractéristiques inclusionnaires de ses aciers constitue un enjeu majeur, afin d’optimiser les conditions d’élaboration aux exigences des clients. La plupart des modèles existant ne prennent en compte les caractéristiques inclusionnaires des aciers que de manière très partielle. Par conséquent, le but de cette thèse a été de construire un nouveau modèle qui prenne en compte l’ensemble des caractéristiques inclusionnaires (concentrations, distributions de taille, caractéristiques morphologiques et mécaniques). Pour mettre au point ce nouveau modèle nous avons utilisé une approche alliant caractérisation et modélisation. La microtomograhie X a pour la première fois été appliquée à la caractérisation fine de la morphologie des inclusions. Leurs propriétés mécaniques ont été investiguées par nano-indentation. Les concentrations et distributions de taille ont pour leur part été estimées par échographie ultrasonore haute fréquence. L’ensemble de ces données a ensuite été utilisé pour modéliser l’endommagement provoqué par ces inclusions. Le modèle développé s’appuie sur les calculs de champs de contrainte au voisinage des inclusions, réalisés par la méthode des éléments finis. Ces calculs ont permis de déduire les concentrations de contrainte ainsi que l’étendue des zones plastifiées qui se développent au voisinage des inclusions, dans lesquelles les dislocations s’accumulent, conduisant à l’amorçage de fissures. La propagation de ces fissures jusqu’en surface est alors évaluée à l’aide de lois de Paris. Dans le cas des alignements, un facteur de concentration de contrainte additionnel a été introduit pour rendre compte des interactions entre inclusions constitutives voisines. Cette modélisation a ensuite été mise en œuvre de manière statistique, grâce à la méthode de Monte-Carlo : des lots de butées virtuelles sont construits en distribuant des inclusions et alignements conformément aux concentrations, distributions de taille et autres caractéristiques obtenues expérimentalement. Le modèle a alors fait l’objet d’un calage par comparaison des prévisions numériques à des durées de vie réelles mesurées expérimentalement lors d’essais de fatigue de roulement sur butées à billes. Il est par conséquent opérationnel et constitue un outil intéressant pour prédire la durée de vie de roulements et optimiser les conditions d’élaboration en relation avec les applications visées