Etude de l'amorçage et de la propagation des fissures de fatigue dans les essieux-axes ferroviaires PDF Download
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Author: Valérie Gros
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Category :
Languages : fr
Pages : 221
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Book Description
Le but de la thèse est la détermination des durées de vie à l'amorçage et en propagation d'un essieu de TGV. Le matériau étudié est un acier de type xc38 à l'état normalisé. L’étude est orientée à la fois sur l'amorçage des fissures courtes en relation avec la microstructure, et sur la propagation des fissures longues. La cause principale d'amorçage des fissures sur les essieux provient des entailles créées, en service, par les chocs de ballast sur le corps de l'axe. Ces impacts à grande vitesse entrainent deux effets antagonistes : une concentration de contraintes en fond d'entaille (qui tend à accélérer l'amorçage) et un écrouissage du matériau accompagne d'un champ de contraintes résiduelles de compression (qui tend à retarder l'amorçage et ralentir la propagation). La démarche suivie pour étudier les différentes phases de la durée de vie d'un essieu, et pour déterminer lequel des ces deux effets est prépondérant, débute par une compréhension des mécanismes d'amorçage des fissures sur des surfaces exemptes de défauts afin d'obtenir un modèle de référence. La limite entre les fissures dites courtes et les fissures longues est ainsi mise en évidence. La phase de propagation des fissures longues ainsi que le rôle des cycles en compression sur la vitesse de propagation ont également été étudiés. des mesures et des simulations numériques de l'ouverture des fissures ont permis de proposer un modèle capable d'évaluer la durée de vie des essieux. Par la suite, le rôle d'une entaille, due à un choc, sur la fissuration d'un essieu a été étudié expérimentalement et numériquement. Nous avons distingué l'effet sur la fissuration, de la concentration de contrainte (éprouvettes entaillées par électro-érosion), par rapport au rôle des contraintes résiduelles (éprouvettes entaillées par choc simulé). De plus, le champ de contrainte sous une entaille créée par un choc de ballast, ainsi que la redistribution des contraintes lors du cyclane en fatigue ont été déterminés par des calculs éléments-finis, et correspondent assez bien aux mesures effectuées par diffraction des neutrons.
Author: Valérie Gros
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Languages : fr
Pages : 221
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Le but de la thèse est la détermination des durées de vie à l'amorçage et en propagation d'un essieu de TGV. Le matériau étudié est un acier de type xc38 à l'état normalisé. L’étude est orientée à la fois sur l'amorçage des fissures courtes en relation avec la microstructure, et sur la propagation des fissures longues. La cause principale d'amorçage des fissures sur les essieux provient des entailles créées, en service, par les chocs de ballast sur le corps de l'axe. Ces impacts à grande vitesse entrainent deux effets antagonistes : une concentration de contraintes en fond d'entaille (qui tend à accélérer l'amorçage) et un écrouissage du matériau accompagne d'un champ de contraintes résiduelles de compression (qui tend à retarder l'amorçage et ralentir la propagation). La démarche suivie pour étudier les différentes phases de la durée de vie d'un essieu, et pour déterminer lequel des ces deux effets est prépondérant, débute par une compréhension des mécanismes d'amorçage des fissures sur des surfaces exemptes de défauts afin d'obtenir un modèle de référence. La limite entre les fissures dites courtes et les fissures longues est ainsi mise en évidence. La phase de propagation des fissures longues ainsi que le rôle des cycles en compression sur la vitesse de propagation ont également été étudiés. des mesures et des simulations numériques de l'ouverture des fissures ont permis de proposer un modèle capable d'évaluer la durée de vie des essieux. Par la suite, le rôle d'une entaille, due à un choc, sur la fissuration d'un essieu a été étudié expérimentalement et numériquement. Nous avons distingué l'effet sur la fissuration, de la concentration de contrainte (éprouvettes entaillées par électro-érosion), par rapport au rôle des contraintes résiduelles (éprouvettes entaillées par choc simulé). De plus, le champ de contrainte sous une entaille créée par un choc de ballast, ainsi que la redistribution des contraintes lors du cyclane en fatigue ont été déterminés par des calculs éléments-finis, et correspondent assez bien aux mesures effectuées par diffraction des neutrons.
Author: Arsène Yameogo
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Languages : fr
Pages : 200
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La SNCF et Valdunes s'intéressent au comportement en fatigue de l'assemblage roue-essieu, plus particulièrement, à la fissuration par fretting fatigue sous portée de calage. la modélisation par la méthode des éléments finis mise en place, permet à la fois de déterminer l'état des contraintes résiduelles résultant du frettage à la presse et d'étudier la redistribution de ces contraintes sous sollicitations cycliques. Le contact (modèle de Coulomb) et le comportement élastoplastique des matériaux (modèle de Lemaître et Chaboche) sont pris en compte par le modèle. Les non-linéarités ainsi introduites pénalisant fortement les temps de calcul, une méthode de "submodelling" a été mise en oeuvre. Les simulations montrent que la structure s'adapte sous les chargements cycliques, ce qui permet l'utilisation de critères multiaxiaux de fatigue polycycliques. La confrontation des résultats avec ceux obtenus par des essais de fatigue, montre que la prédiction de l'amorçage de fissures de fretting fatigue est possible en appliquant les critères de fatigue classique, notamment, le critère de Dang Van. la propagation de la fissure sous la portée est modélisée numériquement en appliquant la loi de Paris, le facteur d'intensité des contraintes en mode I étant calculé empiriquement à partir de l'état mécanique stabilisé. Il apparait un chargement seuil en deçà duquel la fissure s'arrête. Cet arrêt s'explique par l'entrée de la fissuration dans le champ de contraintes résiduelles de frettage fortement compressif en sous-couche. Par ailleurs, les expertises réalisées en maintenance révèlent l'existence d'une profondeur maximale de fissuration, en accord avec les résultats du modèle numérique.
Author: Krzysztof Kubiak
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Languages : fr
Pages : 218
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Le but de cette étude est la détermination de la durée de vie en l’amorçage et en propagation d’un acier XC38 (EA1N) utilisé comme matériau pour les essieux-axes de TGV soumis à des sollicitations complexes de fretting fatigue. Cette étude est plus précisément orientée sur la prédiction de l’amorçage des fissures en fonction de charges appliquées et la prédiction de la condition d’arrêt de propagation des fissures. Conformément à cette analyse, l’étude expérimentale se divisera en deux grandes parties : l’une aborde la problématique de la condition d’amorçage alors que l’autre traite des phénomènes de propagation. Dans la première partie, des essais spécifiques de fretting simple et fretting fatigue ont été réalises afin de caractériser les conditions seuil d’amorçage des fissures dans l’acier étudié. Ceci nous conduira à déterminer un seuil d’amorçage en fonction des conditions de chargement. On s’attachera en particulier à la mise en place de méthodes capables de prédire le risque d’amorçage et ainsi pouvoir définir un domaine de sûreté absolue vis à vis de la sollicitation de fretting fatigue. La deuxième partie de ce travail a concerné le problème de la propagation des fissures. Des essais de fretting simple et fretting fatigue ont été réalisés pour déterminer les lois de propagation des fissures avec notamment la mise en évidence des conditions d’arrêt de propagation. La méthodologie développée, qui intègre la propagation des fissures courtes puis des fissures longues, nous a permis de modéliser les courbes de Wöhler en fretting fatigue et surtout de prédire la condition d’arrêt de propagation des fissures en fretting fatigue.
Author: VALERIE.. LAMACQ
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Languages : fr
Pages : 252
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CE TRAVAIL A ETE CONSACRE A LA COMPREHENSION ET LA MODELISATION A L'ECHELLE MACROSCOPIQUE DES MECANISMES DE FISSURATION SOUS UN CHARGEMENT DE FRETTING FATIGUE STATIQUE (FFS). LES FISSURES SONT SOLLICITEES EN MODE MIXTE SOUS CONDITIONS NON PROPORTIONNELLES (CNP). LES CONCEPTS CLASSIQUES DE LA MECANIQUE ELASTIQUE LINEAIRE DE LA RUPTURE NE PERMETTANT PAS DE CONSIDERER CES DIFFERENTES CONDITIONS, IL ETAIT NECESSAIRE DE PROPOSER UNE NOUVELLE APPROCHE. POUR CELA NOUS AVONS MENE CONJOINTEMENT UNE ETUDE EXPERIMENTALE ET UNE ETUDE THEORIQUE. DEUX CAMPAGNES D'ESSAIS COMPLEMENTAIRES ONT ETE MENEES AFIN D'ETUDIER LA FISSURATION SOUS FFS. LA PREMIERE ETUDE A ETE CONDUITE SUR TROIS ALLIAGES D'ALUMINIUM AERONAUTIQUES. TOUTES LES OBSERVATIONS ONT ETE REALISEES APRES ESSAI DE FACON DESTRUCTIVE. LA REPONSE DES MATERIAUX A ETE ANALYSEE EN TERMES DE DEGRADATIONS. NOUS AVONS ENSUITE DEFINI LES SITES D'AMORCAGE ET LES DIRECTIONS DE PROPAGATION AU COURS DES STADES I ET II. LA SECONDE CAMPAGNE A ETE CONDUITE SUR UN MATERIAU PHOTOELASTIQUE. LA VISUALISATION EN TEMPS REEL DE L'EVOLUTION DES ISOCHROMES LE LONG DES FACES DE FISSURES NOUS INDIQUE LE COMPORTEMENT DES FISSURES. L'AMORCAGE ET LA PROPAGATION DES FISSURES ONT ETE OBSERVES EN TEMPS REEL. L'ETUDE DE L'EVOLUTION DES VITESSES DE PROPAGATION COUPLEE AUX OBSERVATIONS DES FACIES DE FISSURES NOUS A PERMIS DE DEFINIR DIFFERENTES PERIODES DE PROPAGATION. L'OBJECTIF DE L'ETUDE THEORIQUE ETAIT D'IDENTIFIER LES PARAMETRES MACROSCOPIQUES GOUVERNANT LES DIFFERENTES PERIODES DE PROPAGATION SOUS FFS. TOUT D'ABORD, NOUS AVONS ANALYSE LES MECANISMES D'AMORCAGE ET DE PROPAGATION AU COURS DU STADE I. NOTRE APPROCHE S'EST INSCRITE DANS LE CADRE DE LA MMC. ELLE NOUS A PERMIS DE PREVOIR LES SITES D'AMORCAGE PRES ET DANS L'AIRE DE CONTACT AINSI QUE LES PREMIERES DIRECTIONS DE PROPAGATION, SOUS DIFFERENTES CONDITIONS DE FRETTING. NOUS AVONS ENSUITE DEFINI LES CONDITIONS GOUVERNANT LA TRANSITION DU STADE I AU STADE II. ENFIN, NOUS AVONS DETERMINE LES DIRECTIONS ET MODES DE PROPAGATION AU COURS DU STADE II. AFIN DE PRENDRE EN COMPTE LES CNP EN POINTE DE FISSURES, UN CRITERE ADAPTE A NOTRE CHARGEMENT ET AU MATERIAU A ETE SELECTIONNE. POUR COMPLETER CETTE ANALYSE, UNE ETUDE PLUS DETAILLEE DES CHAMPS DE CONTRAINTES EN POINTE DE FISSURE NOUS A PERMIS DE DEFINIR PLUS CLAIREMENT LE MODE DE PROPAGATION DES FISSURES.
Author: Mohand Ouramdane Ouarabi
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Languages : fr
Pages : 0
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Les essais de fatigue peuvent être effectués dans une gamme de fréquences similaire, mais les fréquences les plus élevés sont généralement préférables afin de réduire le temps de test et d'obtenir des résultats dans une période raisonnable. La question reste à savoir si un effet de fréquence existe. Cette étude traite de l'effet de la fréquence de chargement sur la résistance à l'amorçage et à la propagation des fissures sur 3 matériaux (M800HY, CP1000 et DP1180) utilisés dans le domaine automobile. Deux rapports de charge (R=-1 et 0.1) et cinq fréquences de chargement (25 Hz, 30 Hz, 150 Hz et 20 kHz) ont été étudiés. Tout d'abord, nous avons réalisé des calculs par élément finis en dynamique pour dimensionner les éprouvettes et calculer l'étendue du facteur d'intensité de contrainte durant la propagation de la fissure de fatigue. Ensuite, nous avons réalisé des essais d'amorçage et de propagation. Indépendamment de la fréquence de chargement,l'amorçage de la fissure de fatigue est toujours surfacique à cause des concentrations de contraintes dues au processus de laminage ou de l'électro-galvanisation. L'observation des faciès de rupture sur éprouvettes testées à 30 Hz et 20 kHz montre que le mode de propagation est transgranulaire avec quelques localisations de rupture intergranulaire ou par clivage sur la nuance DP1180. Les stries de propagations sont présentes sur les faciès d'éprouvettes M800HY et absentes sur les faciès des deux autres nuances. La nuance DP1180 présente une meilleure résistance à l'amorçage et à la propagation de la fissure de fatigue. Concernant l'effet de la fréquence de chargement, globalement l'amorçage de la fissure de fatigue est dépendante de la fréquence de chargement, par contre, la propagation est indépendante de la fréquence.
Author: Kristell Le Biavant Guerrier
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Pages : 166
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Ce travail a porté sur les mécanismes d'amorçage de fissures de fatigue dans l'alliage Ti-6Al-4V. Il a permis de mettre en évidence l'existence d'une structure fantôme, associée à l'hérédité structurale des alliages de titane, et composée de grains dont les dimensions sont près de 100 fois supérieures à la taille microstructurale. Nos travaux ont montré que ces grains millimétriques, que nous avons nomme macrozones, peuvent avoir une influence marquée sur la réponse mécanique locale du matériau, ainsi que sur les mécanismes de fissuration. Des mesures en rayons x ont montre qu'en première approximation, les macrozones constituent des plages au sein desquelles la phase possède une orientation cristallographique majoritaire ; nous pensons donc que les macrozones correspondent aux ex-grains. Afin de caractériser les premiers stades de fissuration en fatigue, des essais de flexion pure ont été réalisés. La fissuration est apparue très hétérogène à l'échelle des macrozones. Dans chaque macrozone, les fissures formées sont situées soit dans le plan de base, soit dans l'un des plans prismatiques, selon le système de glissement ayant la scission résolue la plus élevée. Outre l'orientation cristallographique de la macrozone, la densité de fissuration dépend également de l'orientation de la direction de glissement par rapport a la surface. Finalement, nous avons pu établir une loi d'évolution de la densité de fissuration en fonction de l'amplitude de cisaillement et de l'orientation cristallographique de la macrozone vis-à-vis de la sollicitation et de la surface. Notre étude à également montre que deux mécanismes distincts interviennent lors de la propagation des fissures : la coalescence de fissures entre elles et la propagation.
Author: Arnaud Junet
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Languages : fr
Pages : 177
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La fatigue est le principal phénomène causant la rupture de structures mécaniques. Pour les très grandes durées de vie, l'amorçage des fissures menant à la rupture des pièces en service passe de la surface au volume. Du fait des difficultés expérimentales, la propagation des fissures internes n'a que très peu été étudiée in situ et en 3D. Il est cependant crucial du point de vue du dimensionnement de connaître le comportement de telles fissures. Dans ces travaux, le suivi in situ de l'amorçage et de la propagation de fissures internes a été réalisé par tomographie aux rayons X (source synchrotron). Premièrement, une méthode de fabrication d'éprouvettes a été élaborée pour permettre de visualiser de manière systématique, non destructive et en 3D la propagation à 20 Hz de fissures internes dans un alliage de titane (Ti-6Al-4V). Un défaut artificiel a pour cela été usiné à la surface d'une tôle laminée de ce matériau. Une seconde tôle, placée sur la première, a été soudée par diffusion au frittage flash, permettant ainsi de rendre le défaut volumique. Des essais de fatigue in situ ont permis de montrer le rôle crucial de l'environnement (vide) ainsi que, dans une moindre mesure, celui de la texture cristallographique sur les vitesses de propagation des fissures internes. Deuxièmement, une machine de fatigue ultrasonique (fréquence de cyclage de 20 kHz) permettant de réaliser des essais in situ au synchrotron a été utilisée pour étudier la propagation 3D de fissures internes dans des éprouvettes d'alliage d'aluminium A357-T6 contenant un défaut interne artificiel. L'obtention préalable de la distribution 3D des grains par tomographie en contraste de diffraction (DCT) a permis d'étudier les mécanismes d'interaction entre la microstructure et le chemin de fissuration en 3D.
Author: Philippe Darcis
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Languages : fr
Pages : 271
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Les méthodes d'analyse fiabiliste des structures ont fait ces dernières années de grands progrès. Leurs applications aux assemblages soudés soumis à la fatigue se sont avérées particulièrement fructueuses. Pour ce faire, un couplage entre modèles de fatigue et les méthodes fiabilistes est effectué. Dans ce cadre, 4 axes d'études sont développés : 1-La présentation d'un modèle déterministe de fatigue intégrant l'amorçage et la propagation de fissure. Ce modèle permet de prendre en compte les contraintes résiduelles de soudage, le seuil de propagation de fissure et le chargement variable appliqué ; 2-L'étude de l'effet d'une surcharge, et du phénomène de retard, modélisé sur la base d'observations des contraintes résiduelles de compression en pointe de fissure. Une nouvelle méthodologie numérique est développée, elle permet d'évaluer la variation effective du facteur d'instensité de contraintes durant la période suivant la surcharge et jusqu'au retour de vitesse de propagation initiale ; 3-L'évaluation de la probalité de défaillance au cours du temps. Cette analyse intègre la période d'amorçage de fissure et l'effet de retard. L'utilisation, en tant que variables aléatoires, de la durée de vie à l'amorçage d'une part, et la taille de la zone affectée par le retard d'autre part, constitue un des apports majeurs de ce travail ; 4-L'extension de l'approche proposée. Cette extension s'applique d'une part à la modélisation déterministe et d'autre part à la prise en compte d'un nombre important de variables aléatoires. Elle permet de mettre en exergue les variables dont l'influance est la plus significative. Cette extension conduit à une stratégie de dimensionnement à la fatigue. Ces différents axes sont abordés et illustrés au travers d'une application relative à un joint soudé en croix. L'ensemble des travaux a permis la création d'un logiciel d'analyse fiabiliste servant au dimensionnement à la fatigue
Author: Cyril Bernolin
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Languages : fr
Pages : 0
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Cette thèse s'est déroulée dans le cadre d'un co-financement entre la région Bretagne et Safran Composites, acteur majeur du secteur aéronautique. Ce secteur a connu un fort essor en termes de production et de croissance du trafic aérien. Afin de répondre aux nouvelles réglementations environnementales, de nouvelles solutions sont mises en oeuvre afin de réduire la consommation de carburant qui passe notamment par l'allègement des structures en service. L'une des solutions retenues par les acteurs du secteur aéronautique est l'utilisation du collage dans les techniques d'assemblage. Son utilisation permet de s'affranchir de nombreux problèmes tels que la corrosion et permet ainsi de réduire le poids des structures contrairement aux techniques d'assemblages conventionnelles (boulonnage, rivetage...). L'emploi d'adhésifs reste cependant limité par des certifications contraignantes destinées à assurer la tenue des structures primaires et la sécurité des usagers. L'objectif de cette thèse vise à développer un outil prédictif de la tenue mécanique des assemblages collés en termes d'amorçage et de propagation de fissures sous chargements mécaniques complexes pour Safran. La première partie de ces travaux porte sur l'étude de l'amorçage de fissures sous chargement de fatigue. En se basant sur le dispositif expérimental Scarf modifié, une procédure expérimentale a été élaborée afin d'étudier l'effet de la fréquence de sollicitation et du rapport de charge sur l'amorçage de fissure. Sur la base des observations expérimentales, l'utilisation d'un critère de durée de vie en énergie semble pertinente. Un modèle viscoélastique de type Maxwell généralisé avec une répartition bi-spectrale des mécanismes a été identifié. Cette identification a permis de faire le lien entre la tenue en fatigue et le comportement de l'adhésif, et de développer en première approche un critère de fatigue tenant compte du comportement hystérétique et en fluage de l'adhésif, indépendamment de sa mise en œuvre. La seconde partie de ces travaux s'est focalisée sur l'étude la propagation de fissures sous chargement de fatigue. En se basant sur le dispositif Arcan modifié l'influence de la mixité de modes sur la propagation de fissure pour des rapports de charge positifs a pu être étudiée. Dans le cadre d'essais non-standardisés, une procédure numérique basée sur un modèle EF et un algorithme de calibration de longueur de fissure, basée sur les travaux de Stamoulis et al. (2016), a dû être développée et afin de calculer le taux de restitution d'énergie critique et évaluer ainsi numériquement la longueur de fissure. Les premiers résultats ont montré l'existence de trois phases de propagation. Les valeurs de taux de restitution d'énergie en fatigue sont inférieures à celles calculées sous chargements monotones. Afin d'étudier l'influence de la fatigue alternée (i.e. la compression) sur la propagation de fissure, un montage Arcan « compression » a été conçu dans le cadre de cette thèse. Les résultats ont montré que le taux de restitution d'énergie en mode I et à R = -1 était supérieur à celui calculé à R = 0.2. La tendance inverse a été observée en mode II, avec des mécanismes plus dégradants en fatigue alternée.
Author: Mohamed Benguediab
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Pages : 160
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CETTE ETUDE A POUR OBJET LA CARACTERISATION DE LA PROPAGATION DES FISSURES DE FATIGUE SOUS SPECTRES DE CHARGEMENT REDUITS COMPARATIVEMENT A LA PROPAGATION SOUS CHARGEMENT D'AMPLITUDE CONSTANTE DANS LE CAS D'UN ALLIAGE D'ALUMINIUM 2024-T351. LES SPECTRES REDUITS CONSIDERES SONT ISSUS DE L'HISTORIQUE STATISTIQUE DES CONTRAINTES SUR L'INTRADOS DE L'AILE D'UN AVION CIVIL. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX PERMETTENT DE DECRIRE LA CROISSANCE DES FISSURES PAR VOL EN FONCTION DU FACTEUR D'INTENSITE DE CONTRAINTE MAXIMAL K#M#A#X ET DE MESURER LA DUREE DE VIE CORRESPONDANT A LA CROISSANCE ENTRE DEUX LONGUEURS DE FISSURE. LA PRISE EN COMPTE DE L'EFFET DE FERMETURE A PERMIS D'OPTIMISER L'ESTIMATION DE LA DUREE DE VIE FAITE SELON UNE DEMARCHE CLASSIQUE DE CUMUL LINEAIRE DANS LE DOMAINE DE PROPAGATION SUPERIEUR A UNE TRANSITION DANS LE MECANISME DE PROPAGATION APPELEE T#2. UNE METHODE D'ANALYSE FRACTOGRAPHIQUE QUANTITATIVE A ETE MISE AU POINT. IL EST MONTRE QUE L'EVOLUTION DES FACIES, POUR K#M#A#X SUPERIEUR A T#2, EST ESSENTIELLEMENT CONTROLEE PAR LE NIVEAU DU CHARGEMENT LE PLUS ELEVE. PAR CONTRE, POUR LES FAIBLES VALEURS DE K#M#A#X (EN DESSOUS DE T#2), LE PARAMETRE DOMINANT EST LE CYCLE SOL-AIR-SOL. UN MODELE BASE SUR LES CONCEPTS ENERGETIQUES EST PROPOSE. CE MODELE, QUI PERMET L'ETABLISSEMENT D'UN CHARGEMENT D'AMPLITUDE CONSTANTE EQUIVALENT, CONDUIT A UNE MEILLEURE PREVISION DE LA DUREE DE VIE POUR LES SPECTRES SANS SURCHARGES
