Experiments, modelling and analysis of fretting fatigue for Inconel 718 and Ti-6Al-4V under time-varying contact normal load at room and high temperature - CNRS - Centre national de la recherche scientifique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Experiments, modelling and analysis of fretting fatigue for Inconel 718 and Ti-6Al-4V under time-varying contact normal load at room and high temperature

Expériences, modélisation et analyse de la fatigue par fretting pour Inconel 718 et Ti-6Al-4V sous charge normale de contact variable dans le temps à température ambiante et élevée

Résumé

This work has been developed within the scope of a joint PhD agreement between the University of Paris-Saclay (UPS) and the University of Brasilia (UnB). The scientific context of the thesis has been chosen to try to provide data and solutions for problems in the aeronautical sector, as Safran Aircraft Engines has been an important industrial partner for this and other thesis in both universities. In this setting, one of the motivations is to study the effect of a variable contact normal loading in the fretting fatigue problem. Within this context, to be more precise, the present thesis has three main goals. The first one is to design and construct a new fretting fatigue apparatus capable of performing different types of tests, where the loads and their respective actuators involved in the experiments can be independently controlled. The test rig will be designed so that fretting fatigue experiments can also be carried out at high temperatures. The second goal is to evaluate the effect of cyclic normal load in fretting fatigue strength for the titanium alloy Ti-6Al-4V at room temperature and for the Inconel 718 alloy at room and elevated temperature. These materials were specially chosen due to the great interest of the aeronautical industry. The third and final aim is to assess fretting life by means of a finite element model which considers wear effects and a multiaxial fatigue parameter.A new four actuators fretting fatigue apparatus was entirely designed to tackle the problem of imposing cyclic contact normal load. The cyclic normal load is now applied by two MTS servo-hydraulic actuators, which were installed perpendicularly to the fretting specimen. Further, the tangential and fatigue loads are applied by independent servo-hydraulic actuators. Due to these upgrades, the new fretting fatigue rig of the University of Brasilia can independently control all the loads involved in the fretting tests (bulk, normal and tangential loads). All these loads can not only vary with time in-phase or out-of-phase, but their waveforms can also be applied synchronously or asynchronously. Moreover, two ceramic igniters were placed next to the contact parts to conduct tests at elevated temperatures. The heating system is capable to reaches to reach temperatures up to 750°C and maintaining it stable within a range of +/- 10°C.In order to evaluate the influence of the cyclic normal load on the fretting fatigue strength, tests under the partial-slip condition with a constant and cyclic contact normal load were conducted at room temperature for the Ti-6Al-4V alloy and at room and 540°C for the Inconel 718 alloy. The experimental results indicate that cyclic normal load has a beneficial effect on fretting life for the specific conditions of tests here conducted. This behaviour was observed for the Ti-6Al-4V and Inconel 718 alloys at both tested temperatures. Besides that, an experimental campaign to assess the influence of time-varying normal load on the friction coefficient was also carried out. Based on this experimental evaluation, the presence of cyclic normal loads does not seem to influence the coefficient of friction under partial slip conditions. However, comparing the friction coefficient results of the Inconel 718 alloy at room and elevated temperature, a significant reduction was observed for both contact normal loading situations with the increase of the temperature.In addition, a finite element model (considering and neglecting wear effects) was used in conjunction with the Smith-Watson-Topper critical plane parameter and a non-local stress averaging approach to estimate fretting life. Concerning the life estimate approaches considered in this study, for the constant and cyclic normal load cases, both implemented methodologies, whether accounting or neglecting wear, provided satisfactory results, with the one disregarding wear being slightly more accurate.
Ce travail a été développé dans le cadre de cotutelle entre l'Université Paris-Saclay et l'Université de Brasilia (UnB). Le contexte scientifique de la thèse a été choisi pour tenter de fournir des données et des solutions aux problèmes du secteur aéronautique, sachant que Safran a été un important partenaire industriel. Cette thèse a trois objectifs principaux. Le premier consiste à construire un nouvel appareil de fretting fatigue capable d'effectuer différents types d'essais, où les charges et leurs actionneurs respectifs impliqués dans les expériences peuvent être contrôlés indépendamment. Le banc d'essai sera conçu de manière à ce que les expériences de fretting fatigue puissent également être réalisées à des températures élevées. Le deuxième objectif est d'évaluer l'effet de la charge normale cyclique sur la résistance à la fatigue par frottement pour l'alliage Ti-6Al-4V à la température ambiante et pour l'alliage Inconel 718 à la température ambiante et élevée. Le troisième objectif est d'évaluer la durée de vie due au fretting au moyen d'un modèle d'éléments finis prenant en compte les effets d'usure et un paramètre de fatigue multiaxiale. Le nouvel appareil de fatigue par frottement à quatre actionneurs a été entièrement conçu pour résoudre le problème de l'imposition d'une charge normale de contact cyclique. La charge normale cyclique est maintenant appliquée par deux actionneurs hydrauliques MTS qui ont été installés perpendiculairement à l'éprouvette de fretting. De plus, les charges tangentielles et de fatigue sont appliquées par des actionneurs hydrauliques indépendants. Grâce à ces mises à niveau, le nouveau banc de fatigue de fretting de l'UnB peut contrôler indépendamment toutes les charges dans les tests de fretting. Toutes ces charges peuvent varier dans le temps en phase ou en déphasage et synchrone ou asynchrone. De plus, deux allumeurs en céramique ont été placés à côté des pièces de contact pour effectuer des tests à des températures élevées. Le système de chauffage est capable d'atteindre des températures allant jusqu'à 750°C et de les maintenir dans une plage stable de +/- 10°C. Afin d'évaluer l'influence de la charge normale cyclique sur la résistance à la fatigue par fretting, des essais en condition de glissement partiel avec une charge normale de contact constante et cyclique ont été réalisés à la température ambiante pour l'alliage Ti-6Al-4V et à température ambiante et à 540°C pour l'alliage Inconel 718. Les résultats expérimentaux indiquent que la charge normale cyclique a un effet bénéfique sur la durée de vie au frottement pour les conditions spécifiques des tests effectués dans ce travail. Ce comportement a été observé pour les alliages Ti-6Al-4V et Inconel 718 aux deux températures testées. Par ailleurs, une campagne expérimentale pour évaluer l'influence de la charge normale variant dans le temps sur le coefficient de frottement a également été menée. Sur la base de cette évaluation expérimentale, la présence de charges normales cycliques ne semble pas influencer le coefficient de frottement dans des conditions de glissement partiel. Cependant, en comparant les résultats du coefficient de frottement de l'alliage Inconel 718 à la température ambiante et élevée, une réduction significative a été observée pour les deux situations de chargement normal de contact avec l'augmentation de la température. De plus, un modèle d'éléments finis, tenant compte et négligeant les effets d'usure, a été utilisé en conjonction avec le paramètre du plan critique de SWT et une approche de moyenne des contraintes non locales pour estimer la durée de vie au frottement. Concernant les approches d'estimation de durée de vie considérées dans cette étude, pour les cas de charges normales constantes et cycliques, les deux méthodologies mises en œuvre, qu'elles tiennent compte ou négligent l'usure, ont fourni des résultats satisfaisants, toutefois celle qui ne tient pas compte de l'usure étant légèrement plus précise.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03960375 , version 1 (27-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03960375 , version 1

Citer

Gabriel Magalhães Juvenal Almeida. Experiments, modelling and analysis of fretting fatigue for Inconel 718 and Ti-6Al-4V under time-varying contact normal load at room and high temperature. Mechanical engineering [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay; Universidade de Brasília, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPAST111⟩. ⟨tel-03960375⟩
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