Experimental and numerical approach of wear of tungsten carbide under impact-sliding conditions
Approche expérimentale et numérique de l'usure du carbure de tungstène sous impact-glissement
Résumé
Tungsten carbide cutting tools are very frequently used for tunnel boring machines, as inserts on the drag bits at the front face. With their high toughness, hardness and their wear resistance, they are highly suitable for this kind of application. During excavation, those tools are subjected to important mechanical stresses mostly represented as repetitive impacts combined with the sliding motion induced by the rotation of the cutting wheel. In this regard, their lifetime should be optimized in order to reduce the maintenance operations cost. This thesis highlights the wear mechanisms associated to the impact-sliding motion of tungsten carbide cutting tools. An experimental approach is presented with an impact-sliding test rig allowing to represent the contact dynamics closed to the one observed during the excavation. The test rig is developed with a ball/flat configuration. The ball undergoes a vertical sinusoidal motion derived by an electromagnetic shaker and impacts the inclined tungsten carbide sample. There are two vertical foils underneath the tungsten carbide, which slide backward during the impact: this induces the sliding motion. Three types of tungsten carbides with different chemical compositions, production processes and mechanical properties have been tested. AISI 52100 and SiC balls are considered in this study. Abrasion and adhesion are mainly observed on wear scars, with cracks initiation for the more brittle tungsten carbide. Wear volume depends on many factors : the impact energy, the number of impacts, the impact angle, the ball material, the hardness of materials and the environment under which they are tested. The reference material wears out the most with larger wear scars. The sliding motion contributes greatly on the wear and SiC ball tends to create a sacrificial layer in some conditions. Tests run under argon showed that adhesion is less likely to occur at the contact. Besides, a 3D finite element dynamic model has been developed with the use of ABAQUS/Explicit. Experimental data are taken into account in order to obtain simulation conditions analogous to those in the experimental study. This numerical approach gives an insight on wear phenomena involved in this impact-sliding contact. In addition to this, parameters that were unreachable experimentally could be calculated (sliding distance, friction dissipated energy, plastic deformation energy). Energetic wear coefficient, calculated experimentally, can be correlated with the dissipated energy and the plastic deformation energy. Cracking features are linked to the contact stress distribution. Numerical results provide an input on experimental data and help in understanding complex wear processes entailed in this impact-sliding conditions.
Le sujet de ce mémoire de thèse concerne l’usure des inserts en carbure de tungstène soumis à des sollicitations d’impact-glissement. Ces inserts situés sur la tête de coupe de tunneliers permettent d’excaver le sol. Ces carbures sont caractérisés par une dureté élevée et une résistance à l’usure importante ; néanmoins, ils sont soumis à des conditions d’excavation sévères qui finissent par les endommager. Il est donc primordial d’augmenter leur résistance à l’usure afin d’augmenter leur durée de vie dans le but de réduire les opérations de remplacement et les coûts. Une étude expérimentale avec un banc d’impact-glissement permet de solliciter les carbures de tungstène dans des conditions proches de celles rencontrées lors de l’excavation. Nous analysons trois carbures de tungstène avec des propriétés et des compositions différentes. Un des trois carbures sert de référence et est utilisé industriellement. Les deux autres carbures ont été développés récemment. Une bille, en acier 100Cr6 ou en carbure de silicium, est soumise à un déplacement vertical, et vient impacter l’échantillon en carbure de tungstène. Le déplacement de deux lames flexibles, situées sous l’échantillon impacté, permet de générer le glissement au moment de l’impact. L’abrasion et l’adhésion sont les principaux mécanismes d’usure, accompagnés de la formation de fissures dans le cas du carbure le plus fragile. Le volume d’usure dépend fortement de l’énergie d’impact, du nombre d’impacts, de l’angle d’impact, de la nature des matériaux au contact et de l’environnement de contact. Le carbure de référence s’use le plus parmi les trois carbures. De plus, le glissement contribue à augmenter l’usure et la bille en SiC forme une couche sacrificielle avec l’un des carbures développé récemment. La présence d’argon au contact tend à réduire l’adhésion et, par conséquent, l’usure est moins sévère. Parallèlement aux tests expérimentaux, une analyse numérique par éléments finis sous Abaqus/Explicit est réalisée. Un modèle 3D représentant le contact entre la bille et le plan incliné a été développé en mettant en avant la dynamique du contact. Cela nous donne accès à des grandeurs non déterminées expérimentalement (distance glissée, énergie dissipée par frottement, énergie de déformation plastique, contraintes au contact) et permet ainsi de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors du contact. Les coefficients énergétiques d’usure obtenus expérimentalement sont mis en corrélation avec les énergies dissipées par frottement et les énergies de déformation plastique. La distribution des contraintes de traction et de compression permet d’établir un lien avec la formation des fissures pour le carbure le plus fragile. Cette approche expérimentale combinée à la simulation numérique nous permet de mieux comprendre les phénomènes d’endommagement qui se déroulent au contact de l’insert.
Domaines
Autre
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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