Contribution à la modélisation de la durée de vie des roulements à partir des caractéristiques inclusionnaires des aciers : concentration, morphologie, propriétés mécaniques
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Despite important efforts made by steel makers to improve the cleanliness of steel, inclusions are still present in steel and produce spallings when placed in subsurface of bearings. For any steel makers, being able to predict the lifetime of bearings from the inclusion characteristics of the steel is a major challenge. Most of the existing models only take into account part of the inclusions characteristics. The aim of this Ph. D. Thesis is to take into account the most important characteristics (concentrations, size distributions, morphological and mechanical characteristics). To create this new model, an approach based on both characterization and modelling has been used. X-ray micro-tomography has for the first time been applied to the detailed morphological characterization of inclusions. The mechanical properties of these inclusions have been investigated by nano-indentation. Concentrations and size distributions have been obtained thanks to high frequency ultrasounds. All these data have then been used for the modelling. The developed model is based on the calculations of stress fields by finite element method. These calculations have permitted to obtain the stress concentrations produced by the inclusions and the size of the region where plastic strain occurs, in which dislocations accumulate and initiate fatigue cracks. Propagation of these cracks up to the surface has then been modelled by Paris laws. For stringers, an additional stress concentration factor has been introduced in order to take into account the interactions between constitutive inclusions. Once this done, a Monte-Carlo method has been used to virtually distribute inclusions in batches of simulated bearings, in accordance with the concentrations, size distribution and other characteristics obtained experimentally. The free parameters of the model have then been adjusted until a good coherence between numerical predictions and experimental results has been obtained. Consequently, it is now functional and can be used as a good tool to predict lifetime of bearing and optimize the elaborating conditions of steel in relation with the sought applications
Abstract FR:
Malgré les efforts importants entrepris par les aciéristes pour augmenter la propreté inclusionnaire de leurs aciers, la présence d’inclusions en sous-couches de roulements et butées à billes demeure responsable de nombreux écaillages, qui limitent leurs durées de vie. Pour tout aciériste, être capable de prédire la durée de vie de roulements en fonction des caractéristiques inclusionnaires de ses aciers constitue un enjeu majeur, afin d’optimiser les conditions d’élaboration aux exigences des clients. La plupart des modèles existant ne prennent en compte les caractéristiques inclusionnaires des aciers que de manière très partielle. Par conséquent, le but de cette thèse a été de construire un nouveau modèle qui prenne en compte l’ensemble des caractéristiques inclusionnaires (concentrations, distributions de taille, caractéristiques morphologiques et mécaniques). Pour mettre au point ce nouveau modèle nous avons utilisé une approche alliant caractérisation et modélisation. La microtomograhie X a pour la première fois été appliquée à la caractérisation fine de la morphologie des inclusions. Leurs propriétés mécaniques ont été investiguées par nano-indentation. Les concentrations et distributions de taille ont pour leur part été estimées par échographie ultrasonore haute fréquence. L’ensemble de ces données a ensuite été utilisé pour modéliser l’endommagement provoqué par ces inclusions. Le modèle développé s’appuie sur les calculs de champs de contrainte au voisinage des inclusions, réalisés par la méthode des éléments finis. Ces calculs ont permis de déduire les concentrations de contrainte ainsi que l’étendue des zones plastifiées qui se développent au voisinage des inclusions, dans lesquelles les dislocations s’accumulent, conduisant à l’amorçage de fissures. La propagation de ces fissures jusqu’en surface est alors évaluée à l’aide de lois de Paris. Dans le cas des alignements, un facteur de concentration de contrainte additionnel a été introduit pour rendre compte des interactions entre inclusions constitutives voisines. Cette modélisation a ensuite été mise en œuvre de manière statistique, grâce à la méthode de Monte-Carlo : des lots de butées virtuelles sont construits en distribuant des inclusions et alignements conformément aux concentrations, distributions de taille et autres caractéristiques obtenues expérimentalement. Le modèle a alors fait l’objet d’un calage par comparaison des prévisions numériques à des durées de vie réelles mesurées expérimentalement lors d’essais de fatigue de roulement sur butées à billes. Il est par conséquent opérationnel et constitue un outil intéressant pour prédire la durée de vie de roulements et optimiser les conditions d’élaboration en relation avec les applications visées