Analyse des travaux de C. Jacq

Suite à une publication de M. Shibata [SHI04], de nouvelles investigations ont été menées sur les essais bi-disques issus des travaux précédents. Cette publication présente la tenue en fatigue des surfaces indentées et met en évidence la présence d’une fissure en sous-couche qui serait générée lors de l’essai de fatigue par le passage de la charge roulante.

Selon l’ensemble des observations réalisées jusqu’à présent, trois types d’endommagements semblent être mis en évidence. Ces endommagements sont un micro-écaillage en surface, une fissuration en sous-couche non débouchante et une fissuration débouchante en fond d’indent.

4.3.1 Micro-écaillage de surface

Cette partie présente les principales conclusions retenues dans la thèse de C. Jacq [JAC01]. Les observations réalisées en surface révèlent un endommagement principalement sous forme de micro-écailles. Cet écaillage se produit principalement en aval de l’indent, dans le sens du roulement. Couplé à ce micro-écaillage, en roulement pur, un endommagement des bords de l’indent est également présent (Figure 4-4), celui-ci tend à disparaître en présence de glissement (Figure 4-5).

Figure 4-4 : Indent endommagé par fatigue de roulement sans glissement (Essai ES5-III indent 08) pour une géométrie 200-20 (indenteur de rayon 200µm et charge de 20daN).

Figure 4-5 : Indent endommagé par fatigue de roulement en présence de glissement (Essai ES3-II indent 06) pour une géométrie 200-20 (indenteur de rayon 200µm et charge de 20daN).

Pour des conditions d’essais plus sévères (dans notre cas, une forme de l’indent plus prononcée), une fissuration débouchante en surface peut s’opérer en amont de l’indent par rapport à la direction de roulement (Figure 4-6).

Figure 4-6 : Indent endommagé par fatigue de roulement en présence de glissement (Essai ES4-II indent 15) pour une géométrie 400-50 (indenteur de rayon 400µm et charge de 50daN).

Direction de roulement 100µm Micro-écaillage Endommagement du bord de l’indent Mouvement de la charge Direction du frottement

Direction de roulement Micro-écaillage

100µm Mouvement de la charge Direction de roulement Direction du frottement Micro-écaillage Fissures débouchantes 100µm Mouvement de la charge

Ainsi, suite à l’ensemble des essais réalisés sur machine bi-disques, C. Jacq a tiré les conclusions suivantes :

• Dans la gamme de charge étudiée (2.5 à 3GPa), le chargement normal n’a qu’une influence secondaire sur l’endommagement par fatigue de roulement en présence d’indentation.

• Les contraintes circonférentielles de traction ont une influence aggravante modérée. • Le glissement semble être le facteur le plus aggravant en fatigue de roulement en

présence d’indentation.

• La phase de rodage a une importance non négligeable dans l’endommagement en fatigue de contact en présence d’indentation

4.3.2 La fissuration en sous-couche

Les observations en surface ont été complétées par une analyse de l’endommagement en sous-couche. Celle-ci est réalisée par polissages successifs selon la méthode présentée Figure 4-7.

Lors de ces expertises, des fissures ont été révélées à la fois en fond d’indent et en sous-couche, voir par exemple Figure 4-8.

Figure 4-7 : Mode opératoire pour la préparation des indents fatigués par C. Jacq, à partir d’un secteur angulaire d’un disque indenté et fatigué.

100µm Fissuration en sous-couche Fissuration en fond d’indent 100µm Fissuration en sous-couche Fissuration en fond d’indent

Figure 4-8 : Analyse de la fissure en sous couche dans le plan médian de l’indent (1.5% de glissement). Indent réalisé par un indenteur de rayon 400µm sous 30daN de charge

• Fissuration en fond d’indents

Nous avons constaté que la fissuration en fond d’indent est liée au polissage et, probablement, à la relaxation des contraintes. En effet, la Figure 4-9 présente la création d’une fissure lors de l’approche de l’indent par polissage. Sur la Figure 4-9 a), aucune fissure n’est observée avant polissage de l’échantillon alors que sur la Figure 4-9 b) une fissure est visible.

Ainsi, cette fissure ne se crée pas lors de l’essai de fatigue mais lors du polissage, ou suite à l'enlèvement de matière par polissage. Elle ne peut donc pas être considérée comme un endommagement par fatigue de contact.

a) Avant polissage b) Approche à environ 10µm de l’indent par polissages successifs Figure 4-9 : Fissuration lors du polissage sur l’indent 03 de géométrie 200-10 de l’essai

ES3-I : création d’une fissure verticale en bord d’indent.

• Fissuration en sous-couche

L’observation en sous-couche dévoile la présence d’autres fissures à des profondeurs comprises entre 50 et 200µm et de formes diverses (Figure 4-10). En effet, certaines fissures tendent à remonter vers la surface, d’autre à descendre en profondeur ou à se propager parallèlement à la surface. Des comparaisons entre la présence d’un endommagement en surface et d’un endommagement en sous-couche ont été réalisées et présentées dans la suite de ce chapitre avec les résultats d’analyses des endommagements sur les essais réalisés au cours de ce travail de thèse.

Fort des conclusions précédentes concernant le rôle du polissage, nous n’avons aucune certitude quant à la présence de la fissure avant l’observation par polissages successifs. Néanmoins, cette fissure est toujours présente sous l'indent à une profondeur relativement constante et voisine de la profondeur de Hertz, qui est une zone présentant de fortes contraintes résiduelles dues à la fatigue de roulement. Ainsi, il est légitime de penser que cette fissure pourrait être présente avant les observations.

Afin de vérifier la présence ou non de cette fissure sans polissage, deux méthodes ont été évoquées : les ultrasons et la micro-tomographie aux rayons X. Les observations par ultrasons par des ondes de volume sont rendues difficiles du fait de la profondeur à laquelle se trouvent les fissures. En effet, ces dernières se situent dans la zone morte de l’observation par ultrasons en ondes de volume car elles sont trop proches de la surface et l'éventuel écho renvoyé par leur présence serait confondu avec l'écho de surface.

a) Fissure tendant à remonter vers la surface (indent ES8-II-10)

b) Fissure parallèle à la surface (indent ES3-I-11)

c) Fissure tendant à se propager en profondeur (indent ES4-II-15)

Figure 4-10 : Représentation des divers types de fissures

100µm 100µm

Concernant les investigations par tomographie, la résolution nécessaire à la détection de la fissure nécessite la découpe « d’allumettes » de section carrée et 500µm de côté autour de l’indent. La découpe de telles éprouvettes a été réalisée par électroérosion mais le résultat n’est pas concluant. En effet, tout comme lors du polissage, des fissures se créent au voisinage des indents. Ainsi, même si la tomographie dévoilait la présence d’une fissure en sous-couche, on aboutirait à la même conclusion que lors du polissage : la fissure en sous-couche existait-elle avant la découpe ? De plus, la tomographie est peu adaptée pour mettre en évidence la présence de fissures non débouchantes (car trop fermées) et la résolution actuelle, même à l’ESRF de Grenoble, n’est pas suffisante.

En conséquence, en l’état actuel des observations, les seules certitudes en matière d’endommagement en fatigue de contact en présence d’indentation portent sur les observations réalisées en surface. Ces observations permettent de mettre en évidence que le glissement est le facteur aggravant pour la fatigue de contact en présence d’indentation et que la faible variation de charge (2.5 à 3 GPa) n’a qu’une influence très limitée sur l’endommagement. Ainsi, tous nos essais seront réalisés à une charge de 2.3GPa (du fait des géométries d’éprouvettes envisagées et des capacités de la machine bi-disque retenue pour ces essais) et les géométries d’indents choisies en priorité sont celles qui entraînent généralement un endommagement autour des indents après 20 millions de cycles.