Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique des Solides
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
TTS (Transformation Tribologique de surface),Phase blanche,couplage thermomécanique,plasticité,metallurgie,essais,
Keywords
TTS,White Etching Layer,Thermomechanical coupling,plasticity,metallurgy,experiments,
Titre de thèse
Modélisation multi-physique des mécanismes de formation de la phase blanche
Multiphysical modelling of the mechanisms of the white etching layer formation
Date
Mercredi 6 Janvier 2021 à 14:00
Adresse
Laboratoire de Mécanique et dAcoustique
LMA - UMR 7031 AMU - CNRS - Centrale Marseille
4 impasse Nikola Tesla
CS 40006
13453 Marseille Cedex 13 Amphithéâtre LMA
Jury
Rapporteur |
Mme Elisabeth MASSONI |
Mines ParisTech |
Rapporteur |
M. Yannick DESPLANQUES |
Ecole Centrale Lille |
Examinateur |
M. Thierry DéSOYER |
Ecole Centrale Marseille |
Examinateur |
Mme Sophie CAZOTTES |
INSA Lyon |
Examinateur |
M. Xavier SAUVAGE |
Groupe de Physique des matériaux, Université de Rouen Normandie |
Examinateur |
M. Xavier QUOST |
RATP / RATP Infrastructure |
Directeur de these |
M. Frédéric LEBON |
Aix Marseille Université |
Directeur de these |
M. Aurélien SAULOT |
INSA Lyon |
Résumé de la thèse
Les Transformations Tribologiques de Surface (TTS), connues sous le nom de phases blanches (White Etching Layer : WEL) dans le contact roue-rail, correspondent à des transformations progressives et irréversibles à la surface des rails pouvant conduire à la fissuration puis à la rupture des rails. Ces zones de structures nanocristallines et constituées de plusieurs phases témoignent dune plasticité sévère et délévations de température (pouvant dépasser la température dausténitisation).
Un scénario de formation progressive des WEL a été proposé par lintroduction de stades dévolution de la microstructure dans le cas daciers perlitiques utilisés dans le ferroviaire. Ces stades se définissent par des indicateurs obtenus par une méthode dobservations multi-échelles (analyses optiques et EBSD).
Un modèle thermomécanique prenant en compte un couplage entre pression hydrostatique, cisaillement et température est présenté. Des simulations 2-D par éléments finis représentatives des conditions du contact roue-rail ont permis de reproduire qualitativement des zones de WEL. Ce modèle est de même capable de rendre compte des effets de la dynamique ferroviaire sur la cinétique de formation de WEL qui pourrait expliquer plus particulièrement la formation éparse de WEL par îlot.
Des essais représentatifs des conditions du contact-roue rail ont été effectués pour valider le rôle du cisaillement dans la formation de WEL. Dune part, des essais cycliques de cisaillement pur sous température contrôlée (éprouvette « chapeau ») ont été réalisés en utilisant le simulateur thermomécanique GLEEBLE (Mateis-LaMCoS, INSA Lyon). Dautre part, des essais de type galet sur rail circulaire (banc Triboring, LaMCoS INSA Lyon) ont été menés pour déterminer le couplage pression-cisaillement.
Thesis resume
Tribological Surface Transformations (TTS), known as White Etching Layer (WEL) in the wheel-rail contact, correspond to progressive and irreversible transformations on the rail surface that can lead to cracking and then failure of the rails. These areas of nanocrystalline structures are made up of several phases which show severe plastic deformation and temperature rises (which can exceed the austenitization temperature).
A scenario of progressive formation of WELs has been proposed by introducing stages of microstructure evolution in the case of pearlitic steels used in railways. These stages are defined by indicators obtained by a multi-scale observations method (optical analyses and EBSD).
A thermomechanical model taking into account a coupling between hydrostatic pressure, shear stress and temperature is presented. 2-D finite element simulations representative of the wheel-rail contact conditions have successfully qualitatively reproduced WEL spots. This model is also able to capture the effects of the rail dynamics on the formation kinetics of WEL, which could explain the sparsely scattered formation of WEL by island.
Representative tests of wheel-rail contact conditions were carried out to validate the role of shear stress in WEL formation. On the one hand, cyclic tests of pure shear under controlled temperature ("hat-shaped" specimen) were carried out using the GLEEBLE thermomechanical simulator (Mateis-LaMCoS, INSA Lyon). On the other hand, roller on circular rail experiments (Triboring test rig, LaMCoS INSA Lyon) were performed to determine the pressure-shear coupling.