Etude du phénomène d'arrêt de propagation des fissures au travers d'un couplage multi-échelles fretting, fretting fatigue et essai fatigue C(T)

Study of the crack propagation arrest phenomenon by means of a multi-scale coupling : Fretting, Fretting Fatigue and C(T) Fatigue test

• Auteur / Autrice : Alix de Pannemaecker
• Direction : Siegfried Fouvry, Jean-Yves Buffière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 29/05/2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Myriam Brochu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henry Proudhon, David Anthony Hills
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilbert Hénaff, Georges Cailletaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Matériaux -- Fissuration

Corrosion de contact

Mots clés libres

Fretting

Fatigue

Arrêt de fissuration

Facteur d’intensité de contraintes seuil

Propagation des fissures

Fissures longues

Fretting

Fatigue

Crack arrest

Stress intensity factor range threshold

Crack propagation

Long crack

Résumé

De nombreuses structures aéronautiques telles que les contacts aube/disque, rivet/tôle, assemblages frettés ou boulonnés subissent des endommagements de fretting fatigue dus à des sollicitations vibratoires. Ces sollicitations, qui combinent des chargements de contact de fretting (micro déplacements alternés) et de fatigue, peuvent induire des phénomènes de fissuration. L’objectif de cette thèse est d’identifier les mécanismes de propagation et d’arrêt de fissuration pour différentes configurations, impliquant des chargements de fretting et de fatigue. Différents aspects seront étudiés : - Les essais de fretting simple, fretting fatigue et fatigue seront corrélés de manière à mesurer certaines propriétés mécaniques de matériaux. Dans cette démarche, une méthode inverse permettant l’identification du seuil d’arrêt de propagation des fissures longues et courtes en fatigue à partir d’essais de fretting simple et fretting fatigue est introduite. - L’effet du rapport de charge est pris en compte afin de quantifier la fermeture de fissure pour les essais de fretting et fretting fatigue. Un nouveau modèle de fermeture sera proposé. - L’effet d’échelle est étudié grâce au développement d’une nouvelle machine de fretting fatigue permettant le suivi in situ des propagations de fissures sur des éprouvettes millimétriques. Le comportement des fissures courtes en fretting pendant un essai de fretting fatigue a été observé pour la première fois. L’idée principale de ce travail est de considérer que lors d’un essai en fretting simple, une condition d’arrêt de propagation est systématiquement atteinte. Les facteurs d’intensités de contraintes seuils en fatigue peuvent ainsi être extraits par une méthode inverse à partir des essais de fretting. La méthodologie adoptée consiste à mesurer la longueur de fissure maximale obtenue lors d’un essai de fretting correspondant à une condition d’arrêt de propagation. En jouant sur les chargements de fretting, les domaine des fissures courtes et longues sont étudiés. Pour chaque condition d’arrêt, le facteur d’intensité de contraintes seuil correspondant est calculé. Enfin, en traçant l’évolution de ce dernier en fonction de la longueur de fissure, une description complète des seuils d’arrêt de fissuration en fatigue peut être obtenue. Cette méthodologie est appliquée sur plusieurs configurations de fretting simple et est étendue aux essais de fretting fatigue. Ainsi une large gamme de rapports de charge peut être étudiée. Des essais conventionnels de fatigue propagation sur éprouvettes C(T) ont été réalisés de manière à valider complètement la démarche d’identification inverse des conditions d’arrêt de fissuration. Le manuscrit est divisé en six chapitres adoptant une évolution linéaire. Le chapitre 1 traite d’une revue bibliographique concernant la propagation des fissures courtes et longues en fatigue dans les matériaux métalliques, introduisant les phénomènes de fermeture. L’analyse est étendue à la propagation des fissures en fretting et fretting fatigue. Le chapitre 2 présente l’ensemble des techniques et méthodes expérimentales utilisées au cours de ce travail. Une analyse numérique et la méthode inverse d’identification des conditions d’arrêt de propagation sont introduites dans le chapitre 3. Les chapitres suivants traitent les différents résultats obtenus. Le chapitre 4 présente les essais de fretting simples menés sur différents matériaux métalliques. Une corrélation entre les conditions d’arrêt de fretting simple avec celles de fissures longues en fatigue est obtenue pour rapports de charge négatifs. Cette analyse est étendue aux rapports de charge positifs au chapitre 5 en couplant les essais de fretting simple, fretting précontraints et essais de fatigue C(T). Enfin, les effets d’échelle et la cinétique de propagation des fissures de fretting fatigue sont étudiés au chapitre 6.

Aircraft structures such as blade/disk, rivet/sheet and fretted or bolted assembly contacts are subjected to fatigue fretting damage caused by vibratory loads. These loads combining fretting (alternating micro displacements) and fatigue contact loading can induce cracks. The objective of this thesis is to identify the propagation and crack arrest mechanisms for different configurations involving fretting and fatigue loads. Various aspects will be studied : - Simple fretting, fatigue fretting and fatigue tests will be correlated in a way to measure some material mechanical properties. A reverse approach allowing to identify the long and short fatigue crack propagation thresholds from simple fretting and fretting fatigue will be introduced. - A new closure model taking into account the effect of loading ratio on crack closure in fretting and fretting fatigue tests will be proposed. - The scaling effect will be studied thanks to the development of a new fretting fatigue machine allowing for in-situ monitoring of the propagation of small scale cracks. The behavior of fretting short cracks has been observed for the first time in a fretting fatigue test. The main idea behind the current work is the consideration that for a simple fretting test, the crack will always lead to a crack propagation arrest condition. Threshold stress intensity factors can thus be extracted from fretting tests using a reverse method. The methodology used consists in measuring the longest fretting crack corresponding to a crack propagation arrest condition. Short and long crack regimes are studied by varying fretting loads and geometries. The corresponding threshold stress intensity factor is calculated for each arrest condition. A complete description of fatigue crack arrest thresholds can be obtained from a plot depicting the evolution of the stress intensity factor range as a function of crack length. This methodology has been applied on multiple simple fretting configurations and was extended to fretting fatigue tests allowing to study a large range of loading ratios. Conventional fatigue crack propagation tests were carried out on C(T) specimens in order to validate the reverse method used for crack arrest conditions. The present thesis is divided into six main chapters. Chapter 1 provides a complete literature review on short and long crack propagation in metallic materials introducing crack closure. It provides a treatment for both fretting and fretting fatigue including a comparative analysis. Chapter 2 provides an overview of the different techniques and methodologies used as part of this research project. The reverse method used for the identification of crack propagation arrest conditions as well as a numerical analysis are presented in Chapter 3. The following Chapters provide a treatment of the various results obtained. Chapter 4 focuses on simple fretting tests carried out on different metallic materials. A correlation between simple fretting and long fatigue crack arrest conditions was obtained for negative loading ratios. This analysis is extended to positive loading ratios in Chapter 5 combining simple fretting, prestressed fretting and C(T) fatigue tests. Finally, scaling effects and fretting fatigue crack propagation kinetics are studied in Chapter 6.