Analyse de l'endommagement en fretting d'un alliage d'aluminium par essais in situ tomographie x // analysis of fretting damage in an aluminum alloy using in-situ x-ray tomography experiments

Topic description

Problématiques Scientifiques
Les phénomènes d'endommagement sous contact vibratoire constituent un enjeu majeur pour la fiabilité et le dimensionnement des assemblages mécaniques industriels, tels que les composants aéronautiques (aubes, disques, assemblages boulonnés), et les structures énergétiques (câbles haute tension, assemblages frettés). Ces sollicitations, caractérisées par des micro-glissements cycliques à l'interface de contact, conduisent à des mécanismes d'endommagement complexes associant usure, plasticité localisée, formation de débris et amorçage de fissures.
Si les modèles actuels permettent, dans certains cas, de prédire les endommagements globaux, la compréhension fine des mécanismes locaux au sein de l'interface de contact demeure très limitée. Cette difficulté provient d'un verrou majeur : l'absence d'observation in-situ de par la nature fermée et opaques des contacts mécaniques. En conséquence, la majorité des travaux reposent sur des analyses post-mortem, qui ne permettent ni de reconstituer proprement la chronologie des mécanismes d'endommagement, ni d'identifier clairement les synergies entre déformation plastique, génération de débris, évolution de la géométrie du contact et amorçage de fissures.
C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, dont l'objectif est de développer une approche innovante de type “TomoFretting”, combinant essais de fretting in situ sous tomographie X et modélisation mécanique avancée, afin de renouveler en profondeur l'analyse des mécanismes d'endommagement sous contact.
Déroulement de la thèse
Après une revue bibliographique approfondie portant sur les mécanismes d'endommagement en fretting, les approches expérimentales in situ et les méthodes d'analyse d'images tomographiques, le/la doctorant·e participera au développement et à la validation d'un banc d'essai de fretting/reciprocating compatible avec la tomographie X. Ce dispositif, conçu pour des matériaux métalliques, permettra de réaliser des essais aussi bien ex situ qu'in situ, avec une résolution spatiale inférieure à 2 µm.
Deux campagnes expérimentales complémentaires seront menées. La première, sur un banc de fretting classique, permettra de caractériser les endommagements par usure et fissuration en fonction des conditions de chargement, afin d'établir une référence matériau. La seconde, réalisée sur le dispositif TomoFretting dans des conditions comparables, visera à observer in situ par tomographie X l'évolution tridimensionnelle de l'interface frottée, en particulier les surfaces de contact, la dynamique du 3ème corps et l'initiation des fissures. Des méthodes de corrélation d'images volumiques seront utilisées pour quantifier les champs de déformation locaux. L'analyse croisée des deux campagnes permettra d'enrichir l'interprétation des essais classiques et de proposer de nouveaux modèles physiquement fondés des endommagements en fretting.
À partir de ces données expérimentales inédites, un modèle mécanique multiphysique sera développé, s'appuyant sur une formulation couplée lagrangienne–eulérienne, permettant de prendre en compte les grandes déformations, l'évolution géométrique du contact et le comportement du 3ème corps [2]. Le modèle sera, dans un premier temps, calibré et validé à partir des observations tomographiques, puis utilisé pour proposer de nouveaux critères de prédiction de l'usure et de l'amorçage de fissures sous fretting.
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Scientific Challenges
Damage phenomena under vibratory contact represent a major issue for the reliability and design of industrial mechanical assemblies, such as aeronautical components (blades, disks, bolted joints) and energy structures (high-voltage cables, fretted assemblies). These loadings, characterized by cyclic micro-sliding at the contact interface, lead to complex damage mechanisms combining wear, localized plasticity, debris formation, and crack initiation.
Although current models can, in some cases, predict global damage, the detailed understanding of local mechanisms within the contact interface remains very limited. This difficulty arises from a major bottleneck: the lack of in-situ observation due to the closed and opaque nature of mechanical contacts. Consequently, most studies rely on post-mortem analyses, which neither allow a proper reconstruction of the chronology of damage mechanisms nor clearly identify the synergies between plastic deformation, debris generation, contact geometry evolution, and crack initiation.
Within this context, this PhD project aims to develop an innovative “TomoFretting” approach, combining in-situ fretting experiments under X-ray tomography with advanced mechanical modeling, in order to fundamentally renew the analysis of damage mechanisms under contact.

Thesis Framework
After an in-depth literature review on fretting damage mechanisms, in-situ experimental approaches, and tomographic image analysis methods, the PhD candidate will participate in the development and validation of a fretting/reciprocating test rig compatible with X-ray tomography. This device, designed for metallic materials, will enable both ex-situ and in-situ experiments with a spatial resolution better than 2 µm.
Two complementary experimental campaigns will be conducted. The first, using a conventional fretting rig, will characterize wear and cracking damage as a function of loading conditions in order to establish a material reference. The second, performed on the TomoFretting setup under comparable conditions, will aim to observe in situ by X-ray tomography the three-dimensional evolution of the fretted interface, in particular the contact surfaces, third-body dynamics, and crack initiation. Volumetric digital image correlation methods will be used to quantify local strain fields. The cross-analysis of both campaigns will enrich the interpretation of classical tests and enable the proposal of new physically-based models for fretting damage.
Based on these original experimental data, a multiphysics mechanical model will be developed, relying on a coupled Lagrangian–Eulerian formulation to account for large deformations, contact geometry evolution, and third-body behavior [2]. The model will first be calibrated and validated using tomographic observations, and then used to propose new predictive criteria for wear and crack initiation under fretting.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral