A fretting crack initiation prediction taking into account the surface roughness and the crack nucleation process volume

This paper presents an experimental study of the fretting crack nucleation threshold, expressed in terms of loading conditions, with a cylinder/plane contact. The studied material is a damage tolerant aluminium alloy widely used in the aerospace application. Since in industrial problems, the surface quality is often variable, the impact of a unidirectional roughness is investigated via varying the roughness of the counter body in the fretting experiments. As expected, experimental results show a large effect of the contact roughness on the crack nucleation conditions. Rationalisation of the crack nucleation boundary independently of the studied roughnesses was successfully obtained by introducing the concept of effective contact area. This does show that the fretting crack nucleation of the studied material can be efficiently described by the local effective loadings inside the contact. Analytical prediction of the crack nucleation is presented with the Smith-Watson-Topper (SWT) parameter and size effect is also studied and discussed.Comment: 21 figure

An experimental investigation of adhesive wear extension in fretting interface: application of the contact oxygenation concept

This paper investigates the transition from abrasive to adhesive wear in gross-slip fretting assuming contact oxygenation concept which suggests that adhesion appears in the inner part of the interface if the di-oxygen partial pressure is below a threshold value. In the lateral sides, where di-oxygen molecules are sufficient, oxidation and abrasion prevail. To assess this phenomenon, 34NiCrMo16 flat-on-flat contacts are tested. Contact oxygenation is quantified using the ''oxygen-distance, '' parameter defined as the averaged width of the external abrasion corona. Confirming this concept, decreases with contact pressure and frequency but remains constant versus sliding amplitude, fretting cycles and contact area. evolution is formalized using a power law formulation which allowed predicting wear transitions for plain and macro-textured surfaces

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

Etude expérimentale et modélisation de l'endommagement du contact aube-disque de soufflante soumis à des chargements de fretting fatigue

L optimisation du dimensionnement des structures passe par une meilleure connaissance de leur mode d endommagement. Cette étude se focalise donc sur la caractérisation de l endommagement du contact aube/disque des moteurs aéronautique. Cet assemblage mécanique est soumis a une combinaison d un effort normal (force centrifuge) et tangentiel (dynamique de l aube). La portée du disque en Ti-6Al-4V subi donc un chargement complexe de type fretting fatigue. Ce type de sollicitation entraine, entre autre dégradation, de la fissuration dont la modélisation expérimentale et numérique est rendue difficile par les limitations des moyens et des connaissances actuelles. Le premier objectif de ce travail de thèse est de développer un moyen d essai et une instrumentation associée afin d étudier de façon qualitative et quantitative la fissuration d un contact Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V. Le second but est d utiliser les données issues de ce moyen expérimental afin de proposer un modèle de prédiction des durées de vie de cet assemblage. Un montage inédit de fretting fatigue double vérin mono-contact a été mis en place avec une instrumentation nouvelle pour ce type d essai : suivi de fissuration par suivi de potentiel et par émission acoustique. Une attention particulière a été apportée aux calibrations et aux méthodologies expérimentales. Ce banc d essai permet notamment de simuler des efforts de fretting applique en phase ou alors de telle manière a simuler un vrai cycle de vol. Cet outil a permis de décrire quantitativement les premières courbes de Wohler en fretting à amorçage (Effort de fretting vs Nombre de cycles à amorçage) pour deux configurations de contact (cylindre/plan et plan/plan). Les impacts des différents paramètres de fretting sur l amorcage ont pu être quantifies. Les paramètres influant sont : la configuration du contact, les niveaux des efforts appliques et leur mode de combinaison (cycles en phase ou cycles de type vol). De plus des courbes de cinétique de propagation des fissures ont pu être extraites des différents essais, montrant un fort impact du fretting sur les vitesses de propagation des fissures. Une analyse qualitative via l émission acoustique a montré un mécanisme d amorçage et de propagation en 3 étapes suivant la perte d influence du contact. Un modèle de prédiction de l amorçage et de simulation de la propagation des fissures a été mis en place. Bien que limite dans la prise en compte des effets gradients (approches non locales), ce modèle se montre très performant surtout dans sa capacité à utiliser les données expérimentales dans l identification des lois d amorçage ou de propagation. Ce travail a donc permis d importantes avancées dans la compréhension des mécanismes de fissuration et dans leur modélisation ouvrant ainsi la porte vers une prédiction fiable de l endommagement des contacts aube/disque.Optimization of structures design requires a better understanding of their damage process. This study focuses on the characterisation of the blade/disk contact damaging process on aircraft engines. That mechanical structure is subjected to a normal load (centrifugal forces) combined with a tangential force (blade dynamic). Thus the Ti-6Al-4V disk seat sees a complex fretting fatigue loading. This type of solicitation can generate a series of degradations like cracking. Experimental and numerical simulation of this damaging is very difficult considering the present state of arts. The first aim of this work is to develop a new experimental set-up with the appropriate instrumentation in order to conduct a qualitative and a quantitative analysis of the cracking in a Ti-6Al-4V/Ti6-Al-4V contact. The second goal is to build a life prediction numerical model that would be able to use the data obtain with the new experimental tests. The new dual-actuator fretting-fatigue set-up is now operational. It allows to run single contact test under different loading combinations: fretting and fatigue loads can be applied in phase or in a way to simulate the real in flight conditions. New instrumentations have been added in order to follow the crack initiation and propagation: potential-drop technique and acoustic emission. Thanks to this new test procedure, the first fretting Wöhler curve to crack nucleation have been described (fretting load vs number of cycles to crack nucleation) for two contact geometries (cylinder on flat and flat on flat). The separate influences of fatigue and fretting parameters have been determined. The mains parameters are: the contact characteristics, the stress level and the force combination modes ( in phase cycles or in-flight cycles). Moreover, the very first crack propagation kinetics have been drowned. Also, a major influence of the fretting on the crack propagation has been exposed. The qualitative analysis conducted with the acoustic emission has revealed a three steps crack propagation process. The crack propagation process evolves with the decrease of the contact influence. A model has been developed in order to predict crack initiation and propagation lives. Even if the model suffers from a major limitation due to the difficult considerations of the stress gradient effects, it has shown very good results through its ability to directly include experimental data. This work has led to major breakthroughs in the understanding of the cracking mechanisms and their simulation. This forms solid foundations for future predictions of the blade/disk interface durability.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Fretting et fretting-fatigue à haute température d'alliages de titane revêtus

Les endommagements provoqués par le fretting sont multiples et peuvent causer de sévères disfonctionnements. Il est donc nécessaire d étudier le fretting, en particulier dans le cas des alliages de titanes fréquemment employés dans l aéronautique. Les endommagements générés par fretting peuvent être de l usure, de la fissuration ou bien une combinaison des deux. La distinction entre ces deux comportements entraine régulièrement une dichotomie dans le choix des sujets traités. L étude présentée ici fait le choix de rassembler en une seule démarche les études d usure et de fissuration. Cette approche permet d avoir une vision d ensemble du comportement en fretting et fretting-fatigue d un contact aube-disque dans un compresseur haute pression. Afin de respecter les contraintes industrielles, l étude est réalisée à haute température (450C) avec un contact plan sur plan revêtu. Pour réaliser cette étude, un dispositif expérimental original a été mis en place et validé. Les premiers résultats tribologiques montrent un effet majeur de la pression de contact sur le comportement tribologique de l interface. Le coefficient de frottement du traitement de surface étudié diminue quand la pression de contact augmente. Une hypothèse d expulsion du lubrifiant solide inclus dans le dépôt est proposée pour expliquer ce phénomène. Les résultats d usure et notamment les analyses physicochimiques montrent un comportement sacrificiel du dépôt qui est usé préférentiellement au contre-corps. Cette caractéristique est bénéfique car dans l application industrielle le contre-corps (le disque) doit être protégé en priorité par rapport à la pièce revêtue (l aube). Les résultats d usure dans la configuration industrielle sont complétés par une étude plus fondamentale mettant en évidence l influence de la fréquence et du cycle de chargement du contact. La morphologie des traces d usure est modifiée par ces deux facteurs, et le taux d usure énergétique est également modifié. L étude de la fissuration est menée en fretting simple et en fretting-fatigue. La fissuration du contre-corps non revêtu est modifiée par l application d un dépôt sur le poinçon revêtu. L effet est principalement observable sur la longueur maximale de fissure, qui est divisée par deux dans le cas revêtu. Les résultats en fretting-fatigue sont également modifiés par la présence du revêtement, dont l effet est plus présent pour les grands nombre de cycles. Enfin, une représentation des résultats sous forme de diagramme polaire normalisé est proposée afin de donner une image claire de l ensemble des performances du dépôt.Fretting damage is a major cause of defect. It is mandatory to study fretting in order to improve material performances, especially for titanium alloys used in aeronautics. Fretting induces wear, cracking or both damages in bodies in contact. The usual topics of fretting studies deal with one of these damages. In the one presented here, wear and cracking are studied simultaneously. This point of view allows a global approach of the blade-disk contact behavior in case of fretting in a turbojet high pressure compressor. Due to industrial constraints, the temperature of this study is 450C and the contact geometry is coated plane on plane. This study is performed on an original experimental setup made for it. This setup enables fretting-fatigue tests at constant fretting force even if fatigue force varies. The first s results regard tribological behavior. A significant effect of pressure is shown: the more the pressure, the smaller the coating friction coefficient. The given hypothesis is an expulsion of solid lubricant contained in surface treatment. Wear results show a sacrificial behavior of the coating. The surface treatment is worn preferentially than counter-body. From an industrial point of view, this characteristic is a good way to protect the uncoated counter-body (disk) instead of coated part (blade). In parallel, another study shows effect of frequency and load variation during cycle in a more fundamental case. Wear scar profile and wear rate is modified by these two parameters. Plain fretting tests and fretting-fatigue tests are performed to study fretting cracking process. Fretting induced cracking on counter-body is modified by coating on the punch. Maximal crack length is twice as short in coating condition as in uncoated condition. In fretting-fatigue, the coating is more efficient in high cycle fatigue. As a conclusion, a polar diagram is used in order to present global results and performances of the coating.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Comportement en usure de deux polymères thermoplastiques semi-cristallins le PET et le PTFE

L’utilisation de polymères thermoplastiques ne cesse de s’accroitre dans le domaine des contacts dans différents secteurs d’activité tels que l’aéronautique, l’automobile, l’offshore et les applications biomédicales. Ceci est notamment dû à leur légèreté, leur non-corrodabilité par rapport aux métaux et à la réduction du coefficient de frottement. [1_2] Dans ce travail, le comportement au frottement de deux polymères thermoplastiques semi-cristallins, le poly-téréphtalate d'éthylène (PET) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE), en contact avec un alliage de titane (TA6V) est étudié à l’aide de la configuration cylindre-plan. Un plan en alliage de titane de rugosité initiale de 0.8µm se déplace horizontalement sur des poinçons cylindriques en polymère avec une charge normale (200N) et un débattement (±500µm) fixes à température ambiante et en contact sec. L’influence de différents paramètres a été étudiée : nombre de cycles (20 000-1 000 000), rugosité du corps antagoniste (0.3-2µm) et fréquence (0.5-5Hz). Après frottement, les mécanismes d’usure sont analysés par interférométrie (figure1), FTIR (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier), EDXA (analyse élémentaire aux rayons X), MEB (microscopie électronique à balayage), puis analysés, quantifiés et interprétés en se basant sur une approche énergétique. Les comportements physicochimiques et thermomécaniques des polymères sont aussi analysés (DSC : Calorimétrie différentielle à balayage, DMA : Analyse mécanique différentielle). Ces essais ont mis en évidence en particulier une transition cristalline du PTFE au voisinage de 19-30°C ainsi que le phénomène de cristallisation froide du PET. En outre, les essais DMA ont montré qu’à température ambiante et la fréquence de 1 Hz le PET présente un comportement plus rigide que le PTFE avec un module de Young de 3500MPa alors que le PTFE a un module de Young de 400MPa. Les essais menés à nombre de cycles croissants, toutes choses étant égales par ailleurs (f=1Hz, P=200N, δ=±500µm, Ra-TA6V =0.8µm) ont permis d’établir le caractère linéaire de l’évolution de la cinétique d’usure (variation du volume d’usure en fonction du nombre de cycles) pour les deux matériaux. Le PTFE présente une usure plus importante que le PET (coefficient énergétique d’usure αPET=10-6mm3/J et αPTFE=10-4mm3/J). En outre, le coefficient du frottement stabilisé du PTFE est nettement plus faible que celui du PET (µPTFE=0.1 ; µPET=0.35). Ceci peut s’expliquer par la différence de la morphologie cristalline de ces deux polymères étudiés [3-4]. En effet, l’observation microscopique des traces d’usure du PTFE a mis en évidence une structure lamellaire avec formation d’un tribofilm du polymère sur le TA6V par juxtaposition de copeaux d’usure dans la direction du glissement. En ce qui concerne le PET, qui se caractérise par une structure sphérolitique, l’observation microscopique montre la présence d’une couche de transfert granuleuse formée sur le plan en TA6V avec la présence de débris éjectés de part et d’autre de la trace d’usure. Ce mécanisme de transfert caractéristique des polymères thermoplastiques à structure sphérolitique est communément appelé « lumpy transfer » dans la littérature [5]. Les analyses FTIR et EDXA réalisées pour les deux systèmes ont confirmé la formation de la couche de transfert de polymère sur le corps antagoniste. Ainsi, l’ensemble de ces résultats permet de conclure que les deux matériaux étudiés, qui ont des structures morphologiques différentes, présentent deux types d’usure bien distincts: une usure adhésive pour le PET et une usure abrasive pour le PTFE. Les modes d’usure ne sont pas affectés par une modification de fréquence dans la gamme (0.5-5 Hz). Cependant on note que l’usure et le transfert augmentent avec la fréquence . Afin d’étudier l’effet de la rugosité (Ra) du corps antagoniste (TA6V), des traitements de polissage (poli-miroir) et de sablage (particules de corindon de taille 50, 100 et 250mm) ont été réalisés. La gamme de rugosité obtenue varie entre 0.3 et 2 μm. Les essais menés (f=5Hz, P=200N, δ=±500μm) ont montré que l’augmentation de la rugosité du contre-corps s’accompagne pour le PTFE d’une augmentation du transfert conduisant à une réduction de l’usure. L’augmentation de la rugosité diminue l’éjection des débris d’usure en dehors de la trace et favorise l’usure pour le PET. Des essais complémentaires à différentes fréquences dans la gamme d’étude sont en cours pour confirmer cette tendance

Influence of a single asperity on stresses during lubricated sliding contact on DLC-coated system

http://tribo-lyon2013.sciencesconf.org/18528International audienceExtreme low wear rates of Diamond-Like Carbon (DLC) coatings are one the properties that makes them particularly interesting for numerous applications, like automotive ones. This property is often observed during characterisation tests under basic sollicitations like fretting, sliding, rolling-sliding. However, tests on cam-tappet systems show the coating lifetime can be highly reduced under special coupled conditions, such as the presence of an asperity breaking through the lubrication film into the contact area. Its influence on surface and subsurface stresses has to be quanti ed to eventually obtain a predictive model of the coating lifetime. The purpose of this study is to develop a simpli ed numerical model that is consistent with elasto-hydrodynami-lubrication (EHD) approxima- tions for estimating the stress perturbation due to such an asperity

Simulation expérimentale de l'usure du contact aube-disque de compresseur sous sollicitations de fretting

Lors du fonctionnement d'un turboréacteur, la rotation de l'axe du moteur induit une force centrifuge qui plaque les aubes contre les alvéoles du disque, le long de surfaces appelées portées . Au cours de la vie du moteur, des micro-glissements ( fretting ) sont générés au niveau des portées. Ce travail de thèse s'intéresse aux endommagements de type oligocyclique des portées aube/ disque du compresseur Haute Pression (HP) d'un turboréacteur civil. Afin de réduire le frottement et de protéger les pièces, les portées des aubes sont revêtues d'un dépôt épais de CuNiln sur lequel est appliqué un lubrifiant solide. Le système est soumis à des pressions fortes (600MPa) et à des températures élevées (500C). Des expertises sur pièces ont permis d'identifier des usures importantes et des phénomènes de transfert. Pour simuler expérimentalement le contact, un moyen d'essai de fretting usure en température a été développé dans le cadre de cette thèse. A partir d'une géométrie de contact échelle 1 simplifiée, choisie pour représenter les champs de chargement moteur, le domaine des sollicitations a été balayé et les comportements tribologiques identifiés et caractérisés. L'étude tribologique a permis de mettre en évidence l'influence forte de la force normale sur les mécanismes d'endommagements, dont les scénarios de mise en place ont pu être explicités pour les deux domaines majeurs de sollicitations. Dans un deuxième temps, les endommagements ont été étudiés d'un point de vue physicochimique et le rôle tribochimique joué par les éléments environnementaux (0, N ... ) a été mis en évidence. Pour finir, la comparaison directe des mécanismes identifiés sur banc expérimental et sur le système industriel a permis d'aborder, d'un point de vue critique, l'importance des paramètres choisis pour les équivalences expérience / système industriel ; et de la dynamique de chargement pour garantir la représentativité d'un essai à l'échelle laboratoire.In the blade/ disk contact of aero-engines, movements induced by the engine regime changes may lead to critical wear. In order to limit friction and protect components, motorists usually use a thick and soft CuNiin layer (150 !-lm) covered with a lubricant. This system is subjected to high contact pressure (upto 600 MPa) and high temperatures (up to 500 C). In service observations of engine parts revealed significant wear and transfer phenomena. An experimental layout was designed to perform fretting wear tests in temperature on a punch/plane contact, representative of engine solicitation. Based on the tribological study performed, specified gradation mechanisms were identified and the evidence of a pressure threshold was demonstrated. Physicochemical analyses performed confirmed the role played by environment (0, N ... ) in fretting wear mechanisms and suggest that the tribochemical effects should be considered in the fretting wear models. Direct comparisons between degradation mechanisms identified on the experimental system, and on industrial parts, allow a critical review of parameters chosen to simulate the contact. Finally, the impact of loading dynamics was investigated in order to improve tests representativity at la bora tory scale.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Propagation d'une fissure par fatigue dans un fil de câble d'haubannage

Les câbles du Génie Civil sont soumis à des sollicitations qui conduisent à deux principales causes de dégradations : la fatigue et la corrosion. On s'intéresse ici à la propagation d'une fissure dans un fil d'acier entaillé soumis à la fatigue. Cette étude est composée d'une partie expérimentale et d'une partie numérique. La propagation de fissure obtenue expérimentalement a été comparée à la loi de Paris. Les contraintes en fond de fissure ont été obtenues par la méthode des éléments finis

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