Etude expérimentale et modélisation multi-physiques des phénomènes de Fretting Fatigue dans des contacts « conformes » en TA6V // Experimental Study and Multiphysics Modelling of Fretting Fatigue Phenomena in TA6V “Conformal” jointed plate contacts

=> Lien du sujet avec Figure (Français et English):
https://groupes.renater.fr/sympa/attach/mecamat/MR1P264MB288451665FA276907829E62CCBCDA%40MR1P264MB2884.FRAP264.PROD.OUTLOOK.COM/CIFRE_5fAIRBUS_5fEMP_5fFRETTING_5fFATIGUE_5fIN_5fBONDED_5fASSEMBLY_5fFran_c3_a7ais_26English.pdf
NB : Date de démarrage décalées à Septembre/Octobre 2026

Problématiques Scientifiques et Industrielles :
Les phénomènes de fretting fatigue sont extrêmement pénalisants pour le dimensionnement des structures aéronautiques. Ces sollicitations, qui combinent fatigue et fretting (micro-glissements alternés dans les contacts), accélèrent les processus d'amorçage et de propagation des fissures. Ce phénomène est observé aussi bien au niveau des turboréacteurs que des voilures boulonnées ou rivetées des avions. Si la prédiction des endommagements pour les contacts dits « non conformes » (par exemple au niveau du pied d'aube d'un turboréacteur) est désormais bien maîtrisée, la prédiction des contacts dits « conformes », tels que l'assemblage de plaques par boulonnage ou rivetage, demeure beaucoup plus difficile à appréhender [1]. En effet, pour ces grands contacts dits « conformes » il convient non seulement de simuler les sollicitations mécaniques, mais aussi de prendre en compte des phénomènes tribologiques locaux, dits de Fretting Seizure Spot (Grippages locaux), qui favorisent la formation de TTS (Tribological Transformed Structures) [2].



Déroulement de la thèse
Après une revue bibliographique approfondie sur le sujet, le/la doctorant(e) effectuera un séjour chez AIRBUS afin d'identifier précisément la problématique industrielle et d'affiner l'ensemble des caractéristiques du problème relatif aux contacts soumis au fretting fatigue (configuration des contacts, conditions de chargement, matériaux, etc.). À partir de ces données, et en synergie avec les ingénieurs du CMAT, un banc d'essai dit « fretting fatigue bending bonded assembly », inspiré des travaux de Mantyla et al. [1], sera mis en place et instrumenté grâce à des mesures DIC (expertise du CMAT). Contrairement aux bancs existants, ce dispositif permettra de remonter localement aux sollicitations de fretting au sein des plaques assemblées. Une campagne d'essais sera ensuite menée afin d'étudier, en fonction des conditions de chargement (serrage entre les plaques, sollicitation en flexion, pression de contact), la durée de vie de l'assemblage en TA6V, mais aussi l'apparition des phénomènes de Fretting Seizure Spot (FSS) (grippage locaux) ainsi que la formation des TTS.
À partir de ces résultats, un modèle multi physique, inspiré des travaux réalisés au CMAT [3-4], sera développé. Ce modèle visera à simuler non seulement la diffusion, mais aussi la consommation de l'oxygène au sein de l'interface frottée, afin de prédire l'apparition des Fretting Seizure Spots (zones de sous-oxygénation de l'interface ne permettant plus la formation d'oxydes de surface et favorisant ainsi le phénomène de grippage « soudure métal-métal », ou seizure) ainsi que la formation des TTS. Cette modélisation tribo-chimique des phénomènes de fretting sera combinée à une analyse de fatigue multiaxiale, afin de prédire de manière plus fiable la durée de vie des assemblages en fissuration [5]. Le modèle sera, dans un premier temps, calé sur les données expérimentales, puis étendu afin de prédire le risque de fissuration par fretting dans les assemblages industriels (bonded assemblies).
Ces développements (copie du banc et modèle) seront ensuite transférés au centre R&D d'AIRBUS, qui pourra ainsi mettre en oeuvre une stratégie de dimensionnement optimisée, ainsi qu'une sélection adaptée de palliatifs (traitements de surface).
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Scientific and Industrial Challenges
Fretting fatigue phenomena are highly detrimental to the structural design of aeronautical components. These combined effects of fatigue and fretting (alternating micro-slips at the contact interfaces) accelerate both crack initiation and crack propagation processes. Such phenomena are observed in various aircraft structures, including turbofan engines and bolted or riveted wings.
While damage prediction for so-called non-conformal contacts (e.g. turbine blade roots) is now well mastered, the prediction of conformal contacts—such as bolted or riveted plate assemblies—remains much more challenging [1]. For these large conformal contacts (Fig. 1), it is necessary not only to simulate the mechanical loadings but also to account for local tribological phenomena known as Fretting Wear Spots, which promote the formation of Tribologically Transformed Structures (TTS) [2].
These TTS, although extremely hard, are also very brittle, thereby facilitating crack initiation. Consequently, unlike conventional approaches (which transpose multiaxial fatigue criteria while considering stress gradients), it is essential to develop a multiphysics approach integrating fatigue, tribology (fretting), and metallurgy (TTS formation) to address these scientific and technological issues. Within this framework, AIRBUS has established a CIFRE PhD collaboration with the Centre des Matériaux of Mines Paris – PSL.

PhD Programme
Following a comprehensive literature review, the PhD candidate will undertake a research stay at AIRBUS to accurately define the industrial problem and refine all relevant characteristics related to fretting fatigue in conformal contacts (contact configuration, loading conditions, materials, etc.). Based on this information, and in collaboration with CMAT engineers, a “fretting fatigue bending bonded assembly” test bench, inspired by the work of Mäntylä et al. [1], will be developed and instrumented using Digital Image Correlation (DIC) techniques (CMAT expertise) (Fig. 2). Unlike existing devices, this setup will allow for local measurement of fretting loads within the assembled plates. A series of experiments will then be conducted to study, as a function of loading conditions (bolt clamping force, bending load, and contact pressure), the fatigue life of TA6V assemblies, as well as the onset of Fretting Seizure Spots (FSS) and the formation of TTS. From these results, a multiphysics model—inspired by previous CMAT work [3–4]—will be developed.

This model will simulate not only the diffusion but also the consumption of oxygen at the fretted interface, in order to predict the appearance of Fretting Seizure Spots (under-oxygenated zones within the contact interface that prevent oxide formation and promote surface metal-metal seizure) as well as the formation of TTS. The resulting tribochemical model of fretting phenomena will be coupled with a multiaxial fatigue analysis to more reliably predict the fatigue life and crack propagation of assembled components [5]. In a first stage, the model will be calibrated using experimental data, and then extended to predict the risk of fretting-induced cracking in industrial assemblies (bonded assemblies). Finally, these developments (copy of the test rig & model) will be transferred to the AIRBUS R&D Centre, enabling the company to implement optimized design strategies and to select appropriate mitigation solutions (e.g., surface treatments).
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Début de la thèse : 01/10/2026

Cifre

CIFRE ANRT

Mines Paris-PSL

621 ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Profil type pour une thèse à MINES Paris: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent. Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Ingénieur Mécanique / Matériaux Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant • un curriculum vitae détaillé • une copie de la carte d'identité ou passeport • une lettre de motivation/projet personnel • des relevés de notes L3, M1, M2 • 2 lettres de recommandation • les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation • une attestation de niveau d'anglais
Typical profile for a thesis at MINES Paris: Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project. Prerequisite (specific skills for this thesis): Applicants should supply the following : • a detailed resume • a copy of the identity card or passport • a covering letter explaining the applicant's motivation for the position • detailed exam results • two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted • to provide an appreciation of the candidate • Your notes of M1, M2 • level of English equivalent TOEIC to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr