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Quelles sont les causes du développement des fissures de phase blanche ?

En examinant l'analyse des défaillances de roulements, la cause profonde des fissures de phase blanche (WEC) dans les roulements peut être attribuée à la fatigue du contact du roulement ainsi qu'à la fatigue accélérée du contact du roulement.
Dans les roulements dénudés prématurément, deux paramètres physiques accéléreront la fatigue de contact par roulement.


Des contraintes plus élevées que prévu
Les contraintes affectant les paliers peuvent être plus élevées que prévu. Une charge lourde et brève peut être engendrée par des effets inattendus de dynamique ou de température entraînant une précharge élevée de déformations structurelles. Une contrainte structurelle du corps du roulement, causée par exemple par des déviations de la forme, un désalignement ou d'autres facteurs, augmentera la tension dans le matériau. En combinaison avec certains lubrifiants, des conditions de contact tribologiques sévères (chargement des bords, faibles épaisseurs de film et / ou des conditions de glissement, par ex.) peuvent également générer une contrainte accrue sur les chemins de roulement.

Force inférieure aux prévisions
La résistance matérielle d'un roulement peut être influencée négativement par des facteurs environnementaux soupçonnés de générer de l'hydrogène. Ceux-ci pourraient inclure la contamination de l'eau, la corrosion, les courants parasites électriques et plus. Dans ces cas, des conditions de chargement modéré peuvent conduire à une défaillance prématurée (fig.1).


Bien que discutés dans la communauté des sciences des matériaux, les conclusions de l'analyse des défaillances de roulements détaillées ci-dessous appuient fortement que les WEC se produisent à la fin de la chaîne de défaillance et sont une conséquence naturelle des réseaux de fissures dans les roulements défaillants.


Fatigue du contact

Pour les petits roulements à grande charge et à longue portée (fatigue à cycle très élevé), on sait que les paliers peuvent passer par plusieurs étapes de fatigue jusqu'à la rupture.

La première étape est l'étape de secousses, conduisant à une déformation micro-plastique, un durcissement du travail et éventuellement une accumulation de contraintes résiduelles. Pendant ces secousses, la surface du roulement peut aussi subir une certaine déformation micro-plastique où les aspérités sont aplaties.

Après les secousses, la majeure partie de durée de vie du palier démarre et se caractérise par des changements graduels dans la microstructure. Au cours de cette étape, la distribution des carbures change en raison de la déformation micro-plastique. De plus, l'austénite retenue peut se décomposer et tous les changements de la microstructure s'accompagnent d'une accumulation de contraintes résiduelles.

Dans un état avancé de fatigue de contact des roulements, on peut trouver des régions de phases noires (DER), ainsi que des attaques de phase blanche, des bandes à angle élevé (HAB) et des bandes à angle faible (LAB) (fig.2). Bien que les HAB et les LAB soient également blanches, elles ont une apparence différente de celle des formations de WEC irrégulières trouvées dans les défaillances précoces des roulements. Cela a conduit à la conclusion que la formation irrégulière de WEC ne fait pas partie de la RCF (fatigue de contacts). Cependant, la microstructure de ces zones de phase blanche n'est pas très différente dans la structure cristalline que les zones de phase blanche observées dans les défaillances prématurées.

Pour les roulements de moyenne à plus grande taille, les effets énumérés ci-dessus ne se produiront pas nécessairement de la même manière que dans les petits roulements à chargement élevé. Comme d'autres composants mécaniques, ces roulements sont défaillants généralement en raison de la rupture de la liaison la plus faible (c'est-à-dire des écarts préexistants dans la structure du matériau comme les inclusions et les porosités). Comme expliqué dans la norme ISO / TR 1281-2_2008, la limite de la fatigue diminuera lorsque la taille du roulement sera supérieur au diamètre moyen d'un palier de 100 mm. De plus, en comparant les effets de la pression de contact sur les roulements plus petits et les roulements plus grands, le volume de contrainte affectée augmente dans les roulements plus grands, de même que les influences négatives des maillons faibles. On peut citer les inclusions en exemple, qui sont une partie naturelle de tous les aciers de roulement.

Des WEC ont été signalées dans des roulements à rouleaux fatigués par contact dans les années 1960 (voir également les travaux de SKF dans les années 1980, fig.3a). Les post-investigations effectuées sur les paliers défaillants de moyenne ou grande taille (soit à partir d'essais de durée vie très accélérés, soit à partir d'essais d'endurance) ont confirmé que l'apparition de réseaux irréguliers étendus de WEC était un sous-produit naturel de la fatigue de contact dans les roulements à rouleaux (fig.3b).

Fatigue accélérée (écaillage prématuré) : comprendre les conducteurs

La différence entre un écaillage prématuré (souvent interprété comme étant des défaillances de WEC dans l'industrie) et une fatigue de contact de roulement peut se trouver dans la période de temps nécessaire à l'occurrence des différents événements menant à un écaillage. En outre, par rapport aux essais d'endurance ou de fatigue de contact « normal », les défaillances prématurées sont souvent associées à des initiations de fissures à plusieurs endroits / zones comme révélé par les analyses de défaillance des roulements (fig.4).


Les raisons de l'amorçage des fissures dans l'acier porteur peuvent être différentes et accélérées en cas de contraintes plus élevées, ou en cas de réduction de la résistance due aux effets environnementaux, comme une pénétration d'hydrogène dans l'acier (fig. 1). Une fois que les nucléons de craquage sont générés (parfois associés à l'apparition de DER, régions de phase noire), un frottement à travers les faces de fissuration conduit alors au transfert du matériau d'un côté de la fissure à l'autre. Ceci conduit à une fissure sinueuse, qui accumule une microstructure de phase blanche sur le côté récepteur de la fissure.

Le développement de la zone de phase blanche (WEA) dépend également de l'orientation de la fissure dans la sous-surface qui peut être liée aux forces internes agissant et aux modes de déformation. C'est pourquoi on trouve plus souvent des WEA dans les fissures horizontales (parallèles au chemin de roulement), tandis que les parties verticales à la fissure montrent affichent moins de décoration de WEA. De plus, la génération des WEA dépend de l'espace entre les faces de fissuration, du nombre de cycles de contrainte ainsi que de l'état de contrainte interne dans le matériau. (fig.5)




Les tests donnent un aperçu de la défaillance prématurée des roulements et des WEC

Des recherches sur les défaillances prématurées des roulements et les WCE ont été menées avec plusieurs partenaires externes, dont les centres technologiques universitaires de SKF. Des enquêtes ont été menées concernant les roulements sur site, les essais d'endurance et les essais de WEC. Bien qu'elles n'aient pas encore été entièrement clarifiées et qu'elles fassent partie de recherches en cours, il a été démontré que les WEC pouvaient être reproduites, trouvées et associées aux conditions d'essai suivantes :

  • dans des tests d'endurance des roulements de moyenne à grande taille (fatigue de contact des roulements)
  • dans des tests sur des roulements avec des anneaux exposés à des contraintes structurelles de traction élevées à moyennes
  • dans les essais sur des roulements exposés à de lourdes charges brèves
  • dans les essais sur des roulements exposés à une contamination par l'eau (fig.6)
  • dans les essais sur des roulements fonctionnant dans des conditions de frottement mixte et de glissement cinématique élevé en utilisant des lubrifiants spécifiques (fig.7)
  • dans les essais sur des roulements avec des composants chargés d'hydrogène
  • dans les paliers qui ont subi des dommages de courant électrique (érosion électrique)

 Résultats

  • Chaque défaillance de palier prématuré est unique : « La seule et unique cause » n'existe pas. Chaque cas de défaillance doit être analysé à la lumière des conditions d'exploitation correspondantes.
  • Il est possible d'identifier des contre-mesures pour augmenter la performance des roulements de manière significative.

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