Modélisation de l'initiation de fissures en fatigue de contact - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Modelling crack initiation under rolling contact fatigue

Modélisation de l'initiation de fissures en fatigue de contact

Résumé

Rolling contact fatigue leads to surface degradation of components such as ball bearings, gear teeth and railway wheels and rails. This phenomenon is caused by the initiation and the propagation of cracks and involves multiple physical processes at different scales. Empirical approaches are mainly used by engineers to model the damage and design the components affected by contact fatigue. In this study, a numerical model of crack initiation in rolling contact fatigue is developed in order to better understand this phenomenon, which is difficult to detect experimentally. The displacement of a contact on the surface of a polycrystalline solid is simulated in a 3D representative volume element. The microstructure is generated using the Voronoi method and the mechanical stresses are calculated using the Green-FFT method. The shear stress range during the loading cycle is used to compute the position, orientation and duration of crack initiation using an approach inspired by the work of Tanaka and Mura. This approach is based on the accumulation of dislocations in the slip bands of the various grains of the material. The random nature of the geometry of the grains and their crystalline orientations allows to obtain statistical distributions. Two crack initiation scenarios in rolling contact fatigue are analysed: subsurface initiation in the presence of an inclusion and surface initiation caused by a dent. In the first scenario, crack initiation sites depend on whether the inclusion is softer or stiffer than the grains. In the second scenario, cracks are initiated in front of the dent shoulder and oriented with a 45° angle from the surface. Inclusion size, dent size and grain size have a significant influence on the mean initiation duration.
La fatigue de contact engendre une dégradation de la surface des composants tels que les roulements à billes, les dentures d'engrenages ou encore les roues et rails ferroviaires. Ce phénomène est causé par l'initiation et la propagation de fissures et implique de multiples phénomènes physiques à différentes échelles. Les approches empiriques sont majoritairement utilisées par les ingénieurs pour modéliser l'endommagement et dimensionner les composants concernés par la fatigue de contact. Dans cette étude, un modèle numérique de l'initiation de fissures en fatigue de contact est développé afin de mieux comprendre ce phénomène qui est difficilement observable expérimentalement. Le déplacement d'un contact à la surface d'un solide polycristallin est simulé dans un volume élémentaire représentatif en 3D. La microstructure est générée par la méthode de Voronoi et les contraintes mécaniques sont calculées par la méthode Green-FFT. L'amplitude de variation des contraintes au cours du cycle de sollicitation est utilisée pour calculer la position, l'orientation et la durée d'initiation de fissure avec une approche inspirée des travaux de Tanaka et Mura. Cette approche est basée sur l'accumulation de dislocations dans les bandes de glissement des différents grains du matériau. Le caractère aléatoire de la géométrie des grains et de leurs orientations cristallines permet d'obtenir des distributions statistiques. Deux scénarios d'initiation de fissure en fatigue de contact sont analysés : l'initiation en sous-surface en présence d'une inclusion et l'initiation en surface causée par un indent. Dans le premier scénario, les sites d'initiation de fissures sont différents selon si l'inclusion est plus souple ou plus rigide que les grains. Dans le second scénario, les fissures sont initiées en face de l'épaulement de l'indent et orientées à 45° de la surface. La taille d'inclusion, la taille d'indent et la taille de grains ont une influence importante sur la durée d'initiation moyenne.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04391278 , version 1 (12-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04391278 , version 1

Citer

Lucas Fourel. Modélisation de l'initiation de fissures en fatigue de contact. Mécanique des structures [physics.class-ph]. INSA de Lyon, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ISAL0070⟩. ⟨tel-04391278⟩
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