From uni- to multi-axial fretting-fatigue crack nucleation: Development of a stress-gradient-dependent critical distance approach

International audienceFretting fatigue is characterized by combined high stress gradients induced by contact loading and more homogeneous stress gradients induced by bulk fatigue stressing. The stress gradients computed at the "hot-spot" located on the surface at the trailing contact border are very high, usually above 10 GPa/mm. For such uncommon stressing conditions, prediction of cracking risk becomes very complex and non-local fatigue approaches must be adopted. The purpose of the present study was to investigate how non-local strategies, such as "critical distance", developed for medium stress gradient conditions such as "notch" configurations, were transposed to predict fretting cracking risk. Elastic crack nucleation conditions of a 35 Ni Cr Mo 16 low alloyed steel at 10E6 cycles have been identified for various cylinder pad radius, contact pressure and fatigue stress conditions. The experimental crack nucleation conditions were then compared to predictions from analytical simulations coupling uni-axial and Crossland's multiaxial fatigue descriptions. The local "hot-spot" analysis systematically overestimated cracking risk and induced more than 30% error with respect to the experimental values. The non-local "critical distance method" based on a constant length scale value still displayed more than 10% dispersion suggesting that a non-constant "critical distance" approach must be considered. By expressing the critical distance evolution as a function of the hydrostatic stress gradient operating next to the stress hot-spot, dispersion was reduced below 5%. Established for the Crossland's stress invariant formulation, this tendency is confirmed by comparing McDiarmid and MWCM critical plane fatigue approaches

Identification of plastic and creep properties of plasma-sprayed coatings by means of macro-indentation and a Levenberg-Marquardt method

Plasma-sprayed coatings are widely used for thermal protection and wear stability of structural components. These coatings feature an anisotropic porous structure as a result of the thermal spraying process. To our knowledge little research is dedicated to describing the temperature-dependent plastic behavior of these coatings, let alone to identifying the coating's properties when subjected to macro-scale contacts encountered in industrial applications. In this work we present a novel inverse method for the identification of plastic properties of thick plasma-sprayed coatings over a wide temperature range by means of macro-indentation and finite element simulations coupled to a Levenberg-Marquardt optimization. For the description of the coatings' plastic behavior we made use of the Gurson-Tvergaard plasticity criterion coupled to a linear isotropic work hardening of the matrix. The constitutive parameters to be identified include the yield strength ?y0(T) and the work hardening coefficient K(T) of the solid matrix as function of temperature as well as two dimensionless fitting parameters q1 and q2 and the initial void fraction f0 that are proper to the Gurson plasticity criterion. We could show that the proposed method is capable of identifying these parameters after as little as three iterations

Analyse thermographique du comportement en fatigue d'une tôle d'acier

Depuis plusieurs années de nombreuses équipes de recherche ont misé sur les mesures d'autoéchauffement pour développer des méthodes de détermination rapide de la limite de fatigue. L'évolution de la température n'étant pas intrinsèque au matériau, nous avons choisi de travailler en terme de sources de chaleur plutôt qu'en terme de température. Nous présentons ici une méthode 2D de détermination des sources de chaleur accompagnant la fatigue et s'appuyant sur la mesure de champs de température obtenus à l'aide d'une caméra infrarouge. Ces sources de chaleur peuvent avoir, au moins, deux origines. Les premières sont induites par la thermodilatabilité du matériau et correspondent au couplage thermoélastique. Les secondes entraînent des échauffements de nature dissipative associés aux transformations microstructurales irréversibles. La difficulté majeure du traitement d'images pour estimer séparément ces deux types de sources vient du fait que l'amplitude des sources thermoélastiques est le plus souvent très grande devant la puissance moyenne dissipée durant un cycle (rapport souvent entre 100 et 1000). Du point de vue expérimental, les amplitudes des sources thermoélastiques estimés sont en bon accord avec ce que prévoit la théorie thermoélastique linéaire et isotrope. Pour un niveau de chargement donné, des distributions spatialement hétérogènes mais temporellement constantes de la dissipation moyenne par cycle ont été mises en évidence. L'analyse calorimétrique encore que cette dissipation évolue de façon linéaire en fonction de la fréquence de sollicitation pour un niveau de charge donné et ce quelle que soit la zone étudiée. Il a enfin été montré que ces effets dissipatifs hétérogènes sont bien associés aux caractéristiques locales du matériau

Détermination par analyse thermique des seuils d'amorçage des fissures sous chargement de Fretting

La sollicitation de Fretting est un phénomène associé à des micro-déplacements de faibles amplitudes entre deux solides en contact inférieur à la dimension de contact. L’endommagement généré par le Fretting sur la surface de contact est contrôlé par l’amplitude de glissement et dans le cas du glissement partiel l’endommagement prépondérant est la fissuration. La détermination des conditions d’amorçages passe par des méthodes expérimentales destructives très couteuses en temps et matériaux. Le but de notre étude est de développer une nouvelle méthode expérimentale basée sur la réponse thermique des matériaux, à l’image de celles s’appuyant sur les courbes d’auto-échauffement en fatigue. L’étude présentée ici a été réalisé sur un acier et nous nous sommes placés dans la configuration Cylindre/Plan. Un essai de Fretting consiste à appliquée une force normale constante sur le Plan. Un déplacement cyclique relatif est imposé, donnant naissance à une force tangentielle macroscopique. Une caméra thermique maintenue fixe et perpendiculaire à la surface latérale de l’échantillon lors des essais est utilisée. Les mesures thermiques ont été couplées à une méthode de suivi des marqueurs afin d’éliminer les mouvements de solide rigide. Une méthode de lissage local de la température est utilisée. Lors d’un test de Fretting à paramètres de chargement constants, l’évolution de la température moyennée sur une zone d’intérêt(ZI) peut être décomposée en trois parties, une dérive thermique globale, un signal périodique de même fréquence que la sollicitation et un signal périodique à deux fois cette fréquence. La dérive et les amplitudes des signaux périodiques atteignent rapidement une valeur stabilisée. Les résultats montrent que la valeur stabilisée de la dérive et les amplitudes des signaux périodiques de la température moyenne sur la ZI peuvent être empiriquement lié au seuil d’amorçage des fissures déterminée par les méthodes destructives. Les différences entre les deux méthodes restent inférieures à 10%

Local analysis of fretting damage by means of full field measurement

The improvements in camera technology and image processing have caused full field measurement techniques to become more and more frequently used in the field of experimental mechanics. Nevertheless, few applications can be found in the field of contact mechanics. Therefore, the aim of this work is to present, a novel experimental set-up based on coupled kinematic-thermal measurements to assess fretting damage. A well known 35Ni Cr Mo 16 low-alloyed steel was studied under various plain fretting partial slip conditions. Analysis of the thermal signal have shown the possibility of decoupling thermal effects related to intrinsic dissipation, thermoelastic sources and dissipation due to friction

Contribution à la compréhension de la fonctionnalisation mécanique de surface des composites à matrice thermoplastique (PEEK) destinés à l'assemblage par collage

L assemblage des matériaux composites thermoplastiques tel que le PEEK est l une des problématiques majeure de l industrie aéronautique. Actuellement, différentes techniques sont développées pour assurer l assemblage structural de ces matériaux, tels que : le soudage, le rivetage, le boulonnage et le collage. Les enjeux industriels majeurs sont principalement, à l heure actuelle, la conception des structures simplifiées au maximum afin de réduire les coûts de production et la réduction des consommations énergétiques. A cet effet, l industrie aéronautique fait fréquemment appel à l assemblage par collage en raison de nombreux avantages qu il offre (gain de poids, distribution régulière des contraintes, absence de trous) par rapport aux autres techniques existantes. Le PEEK (PolyEtherEtherKetone), est un matériau polymère semi-cristallin thermoplastique, à hautes performances. Ce matériau est souvent utilise dans l industrie aéronautique principalement renforce par des fibres de carbone ou de verre. Cependant, du fait du niveau élevé de sa résistance chimique l assemblage par collage du PEEK et de ses composites nécessitent des traitements de surfaces appropries et optimises. Or, afin d obtenir un system collé à haute performance, la problématique scientifique et technique doit être concentrée sur la jonction entre les éléments à assembler. En effet, la qualité de cette jonction est de la plus haute importance car elle doit permettre un transfert optimal des contraintes thermomécaniques lorsque l assemblage est soumis a ses conditions d'usage. Cette étude concerne donc, l amélioration des propriétés mécaniques (monotones et cycliques) de l assemblage par collage PEEK/PEEK. Dans cette optique, un traitement de surface simple de mise en œuvre est proposé. Ce traitement est le sablage, qui permet la modification topographique (morphologique) de surface. La compréhension des différents phénomènes d interaction aux interfaces intervenant dans l amélioration du comportement mécanique du joint de colle et qui s inscrit dans la triptyque : Rhéologie, Physico-chimie et topographie , est l enjeu scientifique majeur dans cette thèse. Dans un premier temps, l influence des paramètres du traitement tels que le temps de projection, la taille des particules, sur la morphologie de surface de différents matériaux à base de PEEK a été analysée, permettant ainsi d établir la corrélation entre les paramètres morphologiques et les mécanismes de modification topographique de surface intervenant pendant le traitement de surface. L un des facteurs clefs pour la compréhension des mécanismes d interaction entre l adhésif liquide et le substrat solide est la mouillabilité. L analyse du comportement au mouillage en fonction des différents paramètres du traitement a été réalisée. La mouillabilité des surfaces traitées est fortement affectée par la rugosité de surface créée après ce traitement. La relation entre les paramètres morphologiques et la mouillabilité a été discutée. Enfin, l influence des paramètres du traitement par sablage sur le comportement mécanique monotone et à long terme (essais de fatigue) sur la résistance du joint colle a été étudié à l aide d essais de cisaillement sur éprouvettes à simple recouvrement. Ceci a conduit, à la proposition de paramètres morphologiques surfaciques spécifiques pour l optimisation du comportement mécanique du joint de colle des matériaux composites à matrice PEEK.One of most problematic in the aeronautical industries is the structural joining of the high performance thermoplastic composites like PEEK composites. Actually, a lot of technologies are used for joining thermoplastic composites like welding, bolting, riveting, fastening and adhesive bonding. Due to the various advantages that characterize the adhesive bonding method, such an uniform stress distribution along the joint, weight light and cost reduction, makes this technique more desirable to join thermoplastic composites materials compared to the other joining techniques. PEEK (PolyEtherEtherKetone) is a semi crystalline thermoplastic material with high performance. This material is wildly used in aeronautical industries, principally, reinforced with carbon of glass fibres. However, its high chemical resistance makes the adhesive bonding of PEEK and its composites difficult and therefore an appropriate and optimised surface treatment is necessary. In the aim to obtain a bonded system with high performance, scientific and technical problematic should be focussed on the junction between adherents. Indeed, the quality of this junction is of utmost importance because it must allow optimum transfer of thermomechanical stresses when the assembly is subject to its terms of use. Though, at this time it is well known that thermoplastic composite materials are difficult to bond with out surface treatment. This study, therefore, relates to the improvement of mechanical properties (monotonic and cyclic) of the adhesive bonding system PEEK / PEEK. In this context, a surface treatment, easy to implement, is proposed. This surface treatment is sandblasting, which enables surface topographic (morphological) modifications. Understanding of various phenomena of interfaces interaction involved in the improvement of the mechanical behavior of the adhesive joint and is part of the triptych "Rheology, Physico chemistry and topography" is the major scientific challenge in this thesis. Initially, the influence of processing parameters such as the projection time, the particle size on surface morphology of various materials based on PEEK was analysed, thus allowing establishing the correlation between morphological parameters and modification mechanisms involved during surface treatment surface. One of the key factors for understanding the mechanisms of interaction between the liquid adhesive and the solid substrate is wettability. The analysis of the wetting behavior as a function of various parameters of the treatment was performed. The wettability of treated surfaces is strongly affected by surface roughness created after this treatment. The relationship between morphological parameters and wettability was discussed. Finally, the influence of sandblasting processing parameters on the mechanical behavior in monotoning and long term (fatigue tests) of the adhesive joint strength was studied, using single lap shear tests specimens. This has led to the proposal of specific surface morphological parameters for the optimization of the mechanical behavior of the adhesive joint of PEEK and its composites.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Mesures thermographiques de champs de dissipation accompagnant la fatigue à grand nombre de cycles des aciers

This thesis presents an experimental protocol developed to perform complete energy balances during the high cycle fatigue of steels. The aims of this study were to complete and check the infrared image processing used to separately estimate dissipative and thermoelastic sources accompanying the fatigue mechanisms in HCF. This method can work even if the intensities of both heat sources are not in the same order of magnitude. The second purpose was to combine this infrared technique with digital image correlation. These techniques allowed us to locally estimate deformation energy and to compare this with the dissipative energy during a cycle.Cette étude s'inscrit dans une démarche originale consistant à développer un protocole expérimental adapté aux essais de fatigue à grand nombre de cycles. Ce protocole permet de dresser des bilans locaux d'énergie et s'appuie sur des techniques d'imagerie quantitative. Les objectifs étaient de compléter et de valider une méthode de traitement d'images infrarouges permettant d'étudier séparément les mécanismes dissipatifs et les effets thermoélastiques accompagnant la fatigue à grand nombre de cycles des aciers. Un point intéressant de cette méthode est de pouvoir fonctionner alors que les amplitudes des sources thermoélastiques sont très nettement supérieures aux intensités de dissipation. Le deuxième objectif était d'arriver à combiner cette technique infrarouge avec celles mises en place pour accéder aux champs cinématiques par une méthode de corrélation d'images. Ce rapprochement a permis d'estimer l'énergie de déformation localement mise en jeu et de la comparer, sur un cycle de chargement, à l'énergie dissipée

Mesures thermographiques de champs de dissipation accompagnant la fatigue à grand nombre de cycle des aciers

MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale et modélisation de la durabilité d'un contact représentatif de l'interface aube / disque de soufflante grenaillé soumis à des chargements de fretting / fatigue / usure

Ce travail porte sur l étude du risque d amorçage de fissure en fretting/fatigue du contact aubes/disque de soufflante en alliage de titane Ti-6Al-4V d un turboréacteur civil. De part les vibrations du moteur et le passage du flux d air, le contact aube/disque est sujet à de microdéplacements: le fretting. Ce problème complexe concerne des zones en contact de faibles dimensions subissant des pressions de contact importantes et des micro-déplacements associées à des structures soumises à des chargements eux-mêmes complexes. Des essais de fretting simple, fretting précontraint et fretting fatigue sont réalisés en vue d identifier les conditions d amorçage de fissure pour plusieurs géométries présentant des gradients de contraintes différents. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l effet du gradient de contrainte sur l amorçage. Ainsi, via des essais présentant une gamme étendue de gradient, il a été confirmé que les gradients de contraintes retardent l initiation de fissure. Une approche non-locale couplée à un critère de fatigue multiaxiale et identifiée sur une unique condition expérimentale de fretting simple a permis la prédiction de l ensemble des résultats expérimentaux. Ainsi, une méthodologie prédictive des durées de vie à amorçage a été proposée. Cette approche numérique intègre la multiaxialité du chargement, l effet du gradient des contraintes, la réponse élastoplastique de l interface et les limites de fatigue en traction/compression et torsion alternée du matériau. L interface aube/disque grenaillée du moteur subit une alternance de sollicitations de faibles amplitudes générant l amorçage de fissure, et de grandes amplitudes favorisant l usure des zones en contact. Le phénomène de compétition usure/fissure a alors été étudié via les courbes en cloches (durée de vie en fonction de l amplitude de déplacement) ainsi que l influence des contraintes résiduelles de grenaillage. Une première conclusion sur l effet bénéfique de l usure a pu être apportée dans le cas d un matériau sans traitement de surface. Si les contraintes résiduelles de grenaillage permettent d apporter un gain notable sur les durées de vie pour des sollicitations de glissement partiel, à l inverse, il a été observé que le matériau avec le traitement de surface de grenaillage présente des durées de vie plus faibles pour des sollicitations favorisant l usure. À travers d essais inédits avec un dispositif expérimental à trois vérins, le chargement complexe de l interface aube/disque du moteur a pu être reproduit à l échelle du laboratoire. Ainsi, la durabilité globale du contact représentatif de l interface aube/disque de soufflante a été étudiée. Une synergie des sollicitations oligocycliques et polycycliques à l interface a été constatée provoquant des phénomènes de réorganisation de contraintes résiduelles et l accélération des cinétiques d usure. Cette étude a montré l importance de prendre en compte les sollicitations polycycliques dans le dimensionnement des structures aubes/disque. Ces sollicitations couplent les aspects de fatigue fissuration aux phénomènes de cumul de dommage et de cinétique d usure des interfaces.This work aims at studying the crack initiation risk of a blade/disk contact under fretting/fatigue loading. The fan stage of a civil engine is studied and the material used is a titanium alloy: Ti-6Al-4V. This complex issue concerns small contacts which are subjected to high contact pressures and micro-displacements. Thus, a complex multiaxial loading occurs on the structure. Fretting, static stressed fretting and fretting fatigue testing are performed in order to quantify the crack nucleation thresholds. In addition, several geometries which present different stress gradient values are used. The experimental results show a stress gradient effect on the crack initiation. Thus, using a wide range of stress gradient, it has been confirmed that stress gradient delays crack nucleation. A multiaxial fatigue criterion is used to determine the equivalent stress field under the contact. Then, a non-local approach, identified thanks to one fretting experimental condition, is employed in order to consider the stress gradient effect. This approach provides the prediction of the whole experimental results. In this way, a predictive method of the initiation fatigue life has been introduced. This numerical approach takes into account the multiaxial loading, the stress gradient effect, the plastic-elastic behavior of the interface and the fatigue strength limits of the material. The blade/disk contacts of the engine are shot-peened. During the flight, interfaces are subjected to low displacement amplitudes leading to crack initiation. On the other hand, during landing and take-off, contacts are submitted to high displacement amplitudes leading to the interface wear. As a consequence, competition between wear kinetic and nucleation one is studied and bell curves are plotted (i.e. fatigue life time versus displacement amplitude).Moreover, the effect of the shot-peening residual stresses on fatigue life time is observed. In case of un-treated material, a beneficial impact on the fatigue life time is observed due to wear process. Compressive residual stresses of shot-peening increase the fatigue life when fretting/fatigue on partial slip regime occurs. Nevertheless, a decrease of the fatigue life time is observed when wear process is activated by the gross slip condition. Finally, the complex loading of the engine blade/disk contact has been reproduced in the laboratory. To achieve this, a new testing, using an experimental machine composed of three hydraulic actuators is developed. Thus, the global life time of the representative interface of the fan stage is studied. Oligocyclic (low frequency) and polycyclic (high frequency) solicitations interact themselves and lead, firstly, to a rearrangement of the residual stresses, and secondly, to an increase of the wear kinetics. This research work highlights the interest to consider the polycyclic loadings to design the blade/disk structure. These solicitations reproduce the cracking fatigue phenomenon, the cumulative damages and the wear kinetics of the interface.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Experimental study of the stress gradient effect under fretting loading by full field measurement techniques

International audienceThe improvements in camera technologies and image processing have caused full field measurement techniques to become more and more frequently used in the field of experimental mechanics. Nevertheless, few applications can be found in the field of contact mechanics. Therefore, the aim of this work is to present, a novel experimental set-up based on coupled kinematic–thermal measurements used for the first time in contact mechanics. A case study of the stress gradient effect based on the crack initiation identification, of a well known 35Ni Cr Mo 16 low-alloyed steel under fretting loadings, is then presented to validate the predictions by means of this set-up