Note publique d'information : 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.
Note publique d'information : 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.
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