Tribologie et Matériaux

Composition de l’équipe

• Emin BAYRAKTAR (Pr émérite)
• Julien BOISSE (MCF)
• Tony DA SILVA BOTELHO (PU)
• Jean-Philippe CRETE (MCF)
• Julien FORTES DA CRUZ (MCF)
• Olga KLINKOVA (PU)
• Isabelle LEMAIRE-CARON (MCF)
• Muriel QUILLIEN (MCF)
• Maria-Letizia RAFFA (MCF)

Doctorants

• Sami OMRI
• Youssef EL HAKMI
• Violeta YOTOVA
• Nathan CARPENTIER
• Yunhe XI
• EKRA Yao
• DEMOULIN Leyne (postdoc)
• MAHO Loic
• JELLID Iskander

        Régimes de glissement de fretting (cycles d’hystérésis effort-déplacement) et modes d’endommagements typiques associés.

Cette activité de recherche se focalise sur l’étude expérimentale des phénomènes d’endommagement par fretting pur, sans couplage avec des sollicitations de fatigue volumique des échantillons.

Les phénomènes de type fretting-fatigue et fretting-usure des surfaces sont simulés expérimentalement pour l’étude des performances de substrats métalliques ou composites, et pour la caractérisation de solutions palliatives aux endommagements (traitements de surface et revêtements).

Les deux moyens d’essais dédiés (Vibro-Cryo-TriboMètre et Vibro-Thermo-TriboMètre) permettent de couvrir une large plage d’ambiances thermiques (températures cryogéniques en bain d’azote liquide, jusqu’à 600°C par air pulsé). Un contrôle en parallèle de l’hygrométrie est également possible grâce à une enceinte climatique externe mobile.

Les porte-échantillons et les dispositifs de réglage des moyens d’essais sont spécifiquement conçus pour permettre l’étude de situations de contact surfacique (plan/plan ou autres géométries de contacts conformels).

Bancs de fretting : VTTM (gauche) et VCTM (droite)

Cette problématique est abordée de plusieurs manières :

1. Analyses locale des endommagements
2. Caractérisation de la raideur de contact
3. Caractérisation de l’évolution de l’amortissement par frottement sec

Analyse locale des endommagements

En particulier pour l’étude des surfaces rugueuses en configuration surfacique, l’estimation de l’usure et la compréhension des phénomènes d’endommagements nécessite des approches locales. Les mouvements de matières et transformations de surface sont d’un ordre de grandeur proche ou inférieur aux états de surface d’origine.

La mise en place de méthodes d’analyses topographiques 3D comparatives entre les surfométries avant et après essais est un moyen de mettre en évidence de manière fine ces endommagements tribologiques.

Surfométrie post-essai d’un couple d’échantillons avant (haut) et après (bas) soustraction de la topographie initiale

Caractérisation de la raideur de contact

La modélisation du comportement mécanique de différentes structures assemblées nécessite la connaissance du comportement des interfaces, qui comprends notamment les raideurs normales et tangentielles du contact. Les conditions de chargement ainsi que les endommagements tribologiques sont susceptibles de faire fortement évoluer la raideur de l’interface.

La mesure directe de la raideur réelle de contact à partir de cycles d’hystérésis efforts tangentiel/déplacement résulte d’un positionnement au plus proche du contact des capteurs, d’une connaissance précise de la chaîne de mesure, ainsi que de la caractérisation du comportement des différentes parties mécaniques du banc d’essai.

Raideur tangentielle de contact : apparente (vert) et réelle (rouge)

Caractérisation de l’évolution de l’amortissement par frottement sec

La modélisation du comportement vibratoire des structures assemblées implique la maîtrise des différentes sources d’amortissement. Une partie peut venir du comportement intrinsèque des matériaux, mais les interfaces de contact soumises à des micro-glissements peuvent également être une source de dissipation.

Le post-traitement des cycles d’hystérésis effort/déplacement couplé à une modélisation du banc permet de caractériser un taux amortissement pour une situation tribologique, et de quantifier son évolution avec l’endommagement.

Évolution du taux d’amortissement en fonction de l’amplitude de déplacement relatif, mesuré expérimentalement pour des essais de fretting dans différentes conditions (chargement et revêtement)

Il convient de distinguer les évolutions précoces de surface, issues d’un processus de rodage et qui visent à améliorer la performance, des évolutions en service, qui dégradent progressivement la performance et limitent la durée de vie. Au sein du thème tribologie et matériaux, nous abordons cette problématique de plusieurs manières :

• via l’analyse fonctionnelle,
• via la modélisation des états de surface,
• via des essais tribologiques,
• via la mesure des évolutions de la microgéométrie,
• via la simulation des phénomènes

L’analyse fonctionnelle permet d’identifier, les phénomènes à optimiser et de remonter aux paramètres influents au premier ordre (dont les états de surface, les matériaux, la nature du contact, la cinématique relative ou le chargement). Elle permet d’orienter la démarche de conception ainsi que la stratégie de caractérisation expérimentale adéquate.

La modélisation des états de surface vise à obtenir une description de la microgéométrie en relation avec la fonctionnalité visée. Elle s’appuie autant que possible sur des paramètres normalisés et sur les descriptions stochastiques des surfaces fonctionnelles. Cette approche permet d’obtenir la réponse moyenne d’une classe de surfaces vis-à-vis d’une sollicitation.

Les essais tribologiques sont véritablement incontournables pour la compréhension des phénomènes, leur maîtrise et pour la détermination des domaines de validité des modèles proposés. Pour cela, de longue date, le thème tribologie et matériaux conçoit et développe pour son compte et pour le compte de ses partenaires, des moyens d’essais originaux permettant de solliciter de manière réaliste des éprouvettes représentatives des applications industrielles. Cette approche permet de disposer de bancs adaptables facilement.

La mesure des évolutions de la microgéométrie est une phase clé de cette activité car elle permet de décrire et quantifier les effets du chargement sur la microgéométrie des pièces en contact. Plusieurs techniques sont utilisées : microscopie optique, MEB, surfomètre avec ou sans contact… Cette quantification, couplée avec les résultats d’essais, permet d’estimer les performances des différences solutions testées (matériaux, traitements de surface, revêtements…)

La simulation des phénomènes permet d’ajouter à la compréhension des physiques en jeu en « observant » l’interface lorsqu’elle est fermée (lorsque le contact est établi), là où il est impossible d’instrumenter un essai. Cette approche permet de prendre en compte le comportement non-linéaire des matériaux et d’appuyer les choix de traitements de surface et revêtements adéquats. L’activité de simulation utilise notamment la méthode des éléments finis.

Collaborations :

GDR SurfTopo, ARTEMA, Total, Safran Aircraft Engines,

Références :

• Ich Tach Tran, Vérification de la validité du concept de surface somme par une approche statistique du contact élastique entre deux surfaces rugueuses, thèse soutenue le 26/01/2015, Ecole Doctorale SPI, Ecole Centrale de Paris.
• Stéphane Tchoundjeu-Ngatchou, Caractérisation des performances d’endurance des lubrifiants par suivi des états de surfaces tridimensionnels, thèse soutenue le 08/10/2013, Ecole Doctorale SPI, Ecole Centrale de Paris.
• Robbe-Valloire, B. Paffoni, R. Progri, Load transmission by elastic, elasto-plastic or fully plastic deformation of rough interface asperities, Mechanics of Materials 33 (2001), Issue 11, pp.617-633
• Robbe-Valloire, Statistical analysis of asperities on a rough surface, Wear 249 (2001) 401–408
• Quillien, F. Robbe-Valloire, et al., Guide de préconisations pour augmenter et mesurer les performances tribologiques, ARTEMA , 2017.

La rupture ductile est généralement la conséquence (i) d’un endommagement plus ou moins diffus induit par la germination et la croissance de micro-cavités, (ii) d’une localisation de l’endommagement/déformation dans une bande étroite, et (iii) de la formation et la propagation de macro-fissures.

Dans le cas de la rupture ductile de grandes structures métalliques, on peut distinguer typiquement deux échelles :

• Échelle macroscopique : correspondant à l’échelle de la structure (ordre du mètre)
• Échelle microscopique : correspondant à l’échelle des mécanismes d’endommagement/rupture (ordre du µm)

La difficulté est de combiner ces deux échelles au sein d’un même modèle basé sur les éléments finis. En effet, à l’échelle de la structure, on souhaite utiliser des éléments finis de grandes dimensions, mais afin de décrire les mécanismes d’endommagement/rupture, on doit utiliser des éléments finis compatibles avec l’ordre de grandeur de ces mécanismes.

D’un point de vue industriel, où l’on souhaite des calculs rapides, on doit alors utiliser des éléments finis de grandes dimensions. Notre objectif est alors de reproduire dans une méthodologie tridimensionnelle unifiée, les étapes successives menant à la rupture ultime de la structure en intégrant les mécanismes d’endommagement/rupture du matériau dans la formulation des éléments finis (de grandes dimensions) tout en s’assurant de l’objectivité des résultats numériques par rapport au maillage.

Le modèle unifié développé dans le cadre de ces travaux est schématisé ci-dessous pour un élément finis 3D :

Pour décrire l’endommagement diffus (i), le matériau est supposé obéir ici au modèle de plasticité microporeuse de GTN. Les conséquences cinématiques de l’ouverture de la fissure (iii), sont décrites par la méthode des éléments finis étendus (XFEM). L’étape intermédiaire de localisation (ii), qui est la plus complexe à reproduire d’un point de vue physique et numérique, est ici décrite via un modèle de zone cohésive (CZM) dans le contexte de la XFEM. Le CZM permet de décrire la dégradation progressive des propriétés mécaniques du matériau au sein de la bande de localisation, induite par la coalescence des micro-cavités et conduisant finalement à l’apparition de la macro-fissure.

Dans nos travaux, un intérêt particulier est porté d’une part, aux critères de transition entre endommagement diffus et localisation, et d’une part, à la détermination de l’orientation du plan de localisation. La localisation est traitée ici comme un phénomène résultats soit d’une instabilité plastique (a), soit de la coalescence des microcavités (b).

Deux critères ont alors été développés : (a) le premier est basé sur l’analyse de bifurcation, tandis que (b) le second repose sur une porosité critique et rend compte de la compétition entre Mode I et II en fonction du taux de triaxialité.

Le modèle développé dans le cadre de ces travaux de recherche, est implémenté en tant que routine utilisateur (UEL) dans le code de calculs commercial Abaqus. Ses performances sont évaluées par des simulations numériques d’éprouvettes tridimensionnelles soumises à divers cas de chargement.

On peut voir ci-dessous la réponse mécanique (à gauche) d’une éprouvette axisymétrique entaillée sollicitée en traction et son facies de rupture (au centre), obtenus numériquement pour deux tailles de mailles avec le modèle développé dans le cadre de nos travaux de recherche, et à droite le facies de rupture réel. On peut noter d’une part, que le modèle est capable de reproduire le facies de rupture réel en « cup and cone ». D’autre part, on peut noter que la réponse mécanique de l’éprouvette obtenue avec notre modèle, est indépendante de la taille de maille contrairement par exemple, à l’utilisation du modèle de GTN seul.

Ci-dessous la réponse mécanique (à gauche) d’une éprouvette plate entaillée sollicitée en traction et son facies de rupture (au centre), obtenus numériquement pour deux tailles de mailles avec le modèle développé dans le cadre de nos travaux de recherche, et à droite le facies de rupture réel. Encore une fois, le modèle est capable de reproduire le facies de rupture réel et la réponse mécanique de l’éprouvette obtenue avec notre modèle, est quasi-indépendante de la taille de maille.

La méthodologie développée dans le cadre de ces travaux de recherche se révèle objective vis-à-vis du maillage et capable de reproduire correctement l’inclinaison des surfaces de rupture.

Collaborations :

ISAE-SUPAÉRO, Université de Bretagne-Sud.

Références :

• Nikolakopoulos, J.P. Crété, P. Longère, Progressive failure of ductile metals: Description via a three-dimensional couples CZM-XFEM based approach, Engineering Fracture Mechanics, Volume 243, pages 1-34, 2021.
• Nikolakopoulos, Modélisation numérique des structures hautes résistance soumises à des sollicitations sévères, Doctorat de l’Université de Toulouse, 2020.
• Nikolakopoulos, J.P. Crété, P. Longère, Volume averaging based integration method in the context of XFEM-cohesive zone model coupling, Mechanics Research Communications, Volume 104, pages 1-7, 2020.
• Wolf, P. Longère, J.P. Crété, J.M. Cadou, Strain localization in ductile materials: Assessment of three X-FEM-based enrichment methods, Mechanics Research Communications, Volume 99, pages 1-7, 2019.
• Wolf, P. Longère, J.M. Cadou and J.P. Crété, Numerical modelling of strainlocalization in engineering ductile materials combining cohesive models and X-FEM,International Journal of Mechanics and Materials in Design, Volume 14, pages177-193, 2018.
• P. Crété, P. Longère and J.M. Cadou, Numerical modelling of crack propagation in ductile materials combining the GTN model and X-FEM, Computer Methodsin Applied Mechanics and Engineering, Volume 275, pages 204-233, 2014.
• P. Crété, Traitement numérique de la fissuration d’une structure navale, Doctorat de l’Université de Bretagne Sud, 2013.

Cette activité de recherche porte sur la détection/prédiction et la caractérisation de dommages susceptibles d’apparaître au cours de la vie d’un produit. L’existence des ces dommages est pris en compte dans la démarche intellectuelle de dimensionnement qui aboutit à la certification des structures composites et/ou structures assemblées par collages. Le principe de tolérance aux dommages consiste à dimensionner une structure pour lui permettre de tolérer la présence de différents types de dommages, soit par des éléments de redondance mécanique, soit par des marges de sécurité supplémentaires, soit par l’utilisation de matériaux aux caractéristiques intrinsèques plus performantes. La fiabilité des résultats de caractérisation de dommages est étudiée à l’aide des lois probabilistes adéquates pour chaque type d’endommagement.

Nous abordons cette problématique de plusieurs manières :

• Approche expérimentale

1. 1. Essais multi-physiques mécanique/thermique/hydrique
   2. Modification et caractérisation de surface des adhérents

• Approche analytiques et numérique

Approche expérimentale

1. Essais multi-physiques mécanique/thermique/hydrique

À l’aide de la  mécanique de la rupture on peut étudier le comportement d’une structure avec des défauts. Ces défauts peuvent être visibles (fissures débouchantes) ou invisibles (fissures internes). L’analyse en mécanique de la rupture corrèle des paramètres provenant du chargement, de la géométrie, et du matériau. Les modes élémentaires de rupture sont caractérisés selon le déplacement relatif des lèvres de la fissure. Il existe trois modes élémentaires de fissuration. Le premier mode est le mode d’ouverture ou clivage (mode I), c’est un mode de traction normal au plan de la fissure. Le second mode est le mode de glissement droit (mode II) qui correspond à un mode de cisaillement parallèle au plan de fissure et perpendiculaire au front de fissure. Le dernier mode est le mode de glissement qui correspond à un mode de cisaillement parallèle au plan de fissure et parallèle au front de fissure (mode III).

Au laboratoire, nous avons conçu un banc qui permet de caractériser l’énergie nécessaire pour générer la propagation d’une fissure lorsque le taux de restitution d’énergie dépasse l’énergie totale nécessaire à la propagation de la fissure Gc.  La cinétique de propagation des dommages, les courbes de propagation et loi de Paris sont ensuite établies.

2. Modification et caractérisation de surface des adhérents

Afin de conférer à un adhèrent des bonnes propriétés d’adhésion, l’état de surface doit être maîtrisé. Les facteurs qui augmentent la surface réelle de contact, comme la rugosité, favorisant l’adhésion par un processus d’ancrage mécanique, ainsi que la mouillabilité est employée pour évaluer l’adhésion. Elle consiste à étudier l’aptitude d’un liquide à s’étaler à la surface du solide.

Approche analytiques et numérique

La simulation multi-échelles  multi-physiques permet de prendre en compte le comportement non-linéaire des matériaux en présence de sollicitations sévères (température, humidité couplées avec la mécanique).

Collaborations :

Airbus Helicopters, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax, École National d’Ingénieurs de Tunis

Références :

[1] G. Zambelis, T. Da Silva Botelho, O. Klinkova, I. Tawfiq, C. Lanouette. A new approach in testing fatigue fracture mechanics properties in asymmetrical bonded composite/metal assemblies. Composites Part B : Engineering, 158 : 390-399, feb 2019

[2] G. Zambelis, T. Da Silva Botelho, O. Klinkova, I. Tawfiq, C. Lanouette. Evaluation of the energy release rate in mode I of asymmetrical bonded composite/metal assembly. Engineering Fracture Mechanics, 190 : 175-185, mar 2018

[3] R. Kessentini, O. Klinkova, I. Tawfiq, M. Haddar. Modeling the moisture diffusion and hygroscopic swelling of a textile reinforced conveyor belt. Polymer Testing, 75 : 159-166,

may 2019 (IF 2.943).

 [4] R. Kessentini, O. Klinkova, I. Tawfiq, M. Haddar. Transient hygrothermo-mechanical stresses analysis in multi-layers bonded structure with coupled bidirectional model. International Journal of Mechanical Sciences, 150 : 188-201, jan 2019

[5] R. Kessentini, O. Klinkova, H. Jrad, I. Tawfiq, M. Haddar. Analytical and numerical investigation of coupled hygro-thermo-mechanical model of multi-layers bonded structure. International Journal of Adhesion and Adhesives, 84 : 108-118, aug 2018

[6] A. Bechikh, O. Klinkova, Y. Maalej, I. Tawfiq, R. Nasri. Sandblasting parameter variation effect on galvanized steel surface chemical composition, roughness and free energy. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2020

Le projet de recherche inter-laboratoires TACTIC (Thermoforming  of Advanced  Commingled Tufted Integrated Composites) vise à mieux comprendre et simuler la mise en forme de renforts composites thermoplastiques innovants, composés de couches textiles renforcées à travers l’épaisseur. Lors du thermoformage, la matrice fondue interagit avec les fibres pour générer des effets complexes de frottement, de glissement et de compactage. Ces phénomènes influencent directement la qualité de la pièce finale.

L’objectif est de développer des moyens d’essais et des campagnes de caractérisation des composites à différente échelle.

Coordinateur scientifique : Olga KLINKOVA