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Theses Year : 2008

Fretting wear of the stainless steel / stainless steel contact under elevated temperature conditions

Usure par fretting d'un contact acier inoxydable / acier inoxydable sous hautes temperatures

Abstract

Fretting wear is perceived as a plague in many industrial fields (aeronautics, nuclear engineering, etc.). It is defined as a small displacement amplitude oscillatory motion between two contacting bodies. In this study, Jethete M152 steel was tested against A-286 steel under low pressure gross slip fretting conditions throughout a wide range of constant and variable temperatures from 23 ◦C to 400◦C. Friction and wear quantifications using a dissipated energy approach were carried out. Tests performed under constant temperature conditions show tribological discontinuities around 220 ◦C. Above this threshold temperature (Tt) a decrease of the friction coefficient and wear rate is observed, which is related to a significant modification of the interface. At lower temperatures severe adhesive wear dominates whereas at higher ones a third body abrasive process, involving the formation of a compliant glaze layer structure takes place. Various structural analyses including Raman spectroscopy confirm the hypothesis that the glaze layer structure is activated through a tribo-sintering process of oxidized wear particles. Besides, it is shown that the energy wear approach allows the wear kinetics to be determined. However, two different energy wear coefficients were identified depending on the temperature range. This confirms the idea that each wear mechanism is characterized by a specific wear rate. Variable temperature test conditions consisting of repeated sequences at 200 ◦C and 400 ◦C demonstrate a rather high reactivity of the interface regarding the evolution of the wear kinetics. Finally, a ‘composite’ wear law integrating the energy wear coefficient as a function of the temperature is introduced and its stability evaluated.
L'usure par frottement est perçue comme un fléau dans de nombreux domaines industriels (aéronautique, nucléaire, etc.). Il est défini comme un mouvement oscillatoire de faible amplitude de déplacement entre deux corps en contact. Dans cette étude, l'acier Jethete M152 a été testé par rapport à l'acier A-286 dans des conditions de fretting en glissement total sous faibles pressions de contact et sur une large plage de températures constantes et variables allant de 23 ◦C à 400 ◦C. La cinétique de l’usure est quantifiée à partir d’une approche énergétique (énergie de frottement cumulée). Des essais réalisés dans des conditions de température constante montrent des discontinuités tribologiques autour de 220 ◦C. Au-dessus de cette température seuil (Tt) on observe une diminution du coefficient de frottement et du taux d'usure, liée à une modification importante de l'interface et la mise en place d’une couche protectrice dite « glaze layer ». À des températures plus basses, une forte usure adhésive est observée, Diverses analyses structurelles, notamment la spectroscopie Raman, confirment l'hypothèse selon laquelle la structure de la couche de vernis est activée par un processus de tribo-frittage de particules d'usure oxydées. Par ailleurs, il est montré que l’approche énergétique de l’usure permet de déterminer la cinétique d’usure. Cependant, deux coefficients d’usure énergétique différents doivent être considérés en fonction de la plage de température. Ceci confirme l'idée selon laquelle chaque mécanisme d'usure est caractérisé par un taux d'usure spécifique. Les conditions de test à température variable consistant en des séquences répétées à 200 ◦C et 400 ◦C démontrent une réactivité assez élevée de l'interface concernant l'évolution de la cinétique d'usure. Enfin, une loi d’usure « composite » intégrant le coefficient d’usure énergétique en fonction de la température est proposée et discutée.
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Radoslaw Rybiak. Fretting wear of the stainless steel / stainless steel contact under elevated temperature conditions. Engineering Sciences [physics]. Ecole Centrale de Lyon, 2008. English. ⟨NNT : 2008ECDL0013⟩. ⟨tel-04309061⟩
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