Présentation de stage

Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par

inductionPRÉSENTATION DE STAGE

Adrien DURANDSpécialité Génie Mécanique Option Ingénierie des Matériaux et des surfaces

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Plan de l’exposé

Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction

I. Contexte du projet

II. Objectifs du projet

III. Moyens mis en œuvre

IV. Résultats

V. Conclusion

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Description du procédé:

ICourant alternatif dans l’inducteur

champ magnétique

Effet Joule échauffement local

Pièce ferromagnétique courants induits en surface

Changement de phase

Trempe eau + polymère liquideRésultats:

Engrenage durcis en surface


Avantages du procédé de trempe par induction:

Procédé vert Rapide Meilleur contrôle du profil


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Propriétés mécaniques après induction:

Profil de dureté

Profil des contraintes résiduelles

60HRC

37,5HRC

45HRCMise en évidence de 3 zones principales:

Zone CASE 60 HRCContraintes résiduelles de compression élevées

Zone CORE 45 HRCContraintes résiduelles de compression faible

Zone OVER TEMPERED 37,5 HRCContraintes résiduelles de traction

x

x



x

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Thèse de Vincent Savaria:

Effet des contraintes résiduelles sur l’endommagement par fatigue des engrenages aéronautiques durcis superficiellement par induction

Traitement surfacique par

induction d’engrenages

Modification des propriétés (dureté)

et contraintes résiduelles

Influence sur la tenue en fatigue de

flexion des dents


Objectifs de la thèse:

- Évaluation des propriétés en dureté et contraintes résiduelles induites par le traitement par induction

- Prédiction (expérimentation et modélisation) de la tenue en fatigue des engrenages induits

Projet général sur le procédé de trempe par induction


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Simulation numérique et critère d’endommagement

Modélisation par éléments finis Mesure et caractérisation des gradients de contraintes résiduelles

Champ de contraintes issues du chargement en

flexion

Contraintes résiduelles mesurées par DRX en creux de

dent

Critère d’endommagement en fatigue multiaxiale

Validation de la tenue en fatigue des engrenages

Essai de fatigue de dent simple« single tooth bending fatigue »(collaboration avec Univ. Rimouski)

Mesure des champs de déformation (speckle)

Analyses fractographiques

- lien entre mode de propagation de fissure et nature/dureté de la microstructure

Expérimentation

Champ de contraintes totales vues par la dent en service



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Critère de fatigue multiaxial

X1 et X2 liés au champ de contraintes dans le matériaux

α et β paramètres du critère propre a un matériaux

Forme générale:

Critère choisi: Critère de Crossland √ 𝐽 2 ,𝑎+𝛼𝜎𝐻𝑚𝑎𝑥≤ 𝛽

Calcul des paramètres α et β



Calcul des paramètres α et β : 1ère possibilité Calcul des paramètres α et β : 2ème possibilité

Limite d’endurance en traction compression R=-1

Limite d’endurance en torsion R=-1


Limite d’endurance en traction R=0.1

avec

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Calcul des paramètres α et β : 1ère possibilité


Limite d’endurance en torsion R=-1


Limite d’endurance en traction R=0.1


I. Contexte du projet:

Calcul des paramètres α et β : 2ème possibilité

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Déterminer les paramètres α et β pour chaque zone de dureté

II. Objectifs du stage:

Campagne de fatigue réalisée a l’ETS par Robin LEFEBVRE

Calcul des Limites d’endurance en traction compression R=-1Analyse fractographique des faciès de rupture

Campagne de fatigue réalisée a l’ENSMA de Poitier par Yves Nadot

Calcul des Limites d’endurance en torsion R=-1

Réalisation d’une campagne de fatigue en traction R=0.1

Calcul des Limites d’endurance en traction R=0.1Réalisation d’une campagne de fatigue en traction R=-1(Avec le moins de contraintes résiduelles possibles sur les éprouvettes)

Comparaison avec l’ancienne campagne de fatigue

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II. Objectifs du stage:


Graphique représentatif du critère de Crossland

Verification de l’évolution du critère de Crossland selon le niveau de pression hydrostatique vs. cisaillement

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3 types d’éprouvettes Représentatif des 3 principales zones de duretés après traitement par induction

Éprouvettes CASE60 HRC

Éprouvettes CORE45 HRC

Éprouvettes OVER TEMPERED37,5 HRC

-850°C-45min trempe à l'eau 10%POL-Revenu 380°C - 2h-Induction-Revenu post-induction 149°C - 2h

-850°C-45min trempe à l'eau 10%POL-Revenu 380°C - 2h

-Revenu post-induction 149°C - 2h

-850°C-45min trempe à l'eau 10%POL-Revenu 380°C - 1h30-Sur-revenu 600°C - 15min-Revenu post-induction 149°C - 2h

1ère étape: Usinage grossier dans le matériaux brut

2ème étape: Traitement thermique de la matière

III.1 Préparation des éprouvettes de fatigue


Dureté mesurée: 59HRC Dureté mesurée: 47HRC Dureté mesurée: 39HRC

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3ème étape: usinage de précision à la forme finale réalisé a l’ETS

4ème étape: Polissage long des éprouvettes jusqu’à 1µm

III.1 Préparation des éprouvettes de fatigue

1ère recette d’usinage - 8 passes de finition de 0.127mm

2ème recette d’usinage- 5 passes de finition de 0.254mm- 1 free cut

Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC

Objectif: minimiser les contraintes résiduelles dues a l’usinage

-570 MPa -200 MPa

-200 MPa


Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC

Avant polissage Après polissage

-114 MPa

Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC -750 MPa -114 MPa

Anciennes éprouvettes (Campagne de fatigue réalisée par Robin LEBFEVRE)

Nouvelles éprouvettes

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George K. HARITOS, Theodore NICHOLAS, David B. LANNINGInt. J. Fatigue Vol. 21, No. 3, pp. 643-652,

III.2 Essais de fatigue

Méthode Step-loading

Calcul de la limite d’endurance grâce a l’équation de Wöhler

Log(N)=a-bσ

Construction de la courbe S-N entre 105 et 106 cycles

Limite d’endurance = durée de vie à 106 cycles


Première estimation de la limite d’endurance

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III.3 Planification des essais

Identification Zone simuléeRapport de

charge R Commentaires

TR37 CASE 60HRC R = -1 Step loadingTR38 CASE 60HRC R = -1TR39 CASE 60HRC R = -1TR40 CASE 60HRC R = -1TR41 CASE 60HRC R = -1TR47 CASE 60HRC R = -1TR48 CORE 45HRC R = -1 Step loadingTR49 CORE 45HRC R = -1TR52 O-T 37,5HRC R = -1 Step loadingTR42 CASE 60HRC R = 0,1 Step loadingTR43 CASE 60HRC R = 0,1TR44 CASE 60HRC R = 0,1TR45 CASE 60HRC R = 0,1TR46 CASE 60HRC R = 0,1TR50 CORE 45HRC R = 0,1 Step loadingTR53 O-T 37,5HRC R = 0,1 Step loadingTR54 O-T 37,5HRC R = 0,1TR55 O-T 37,5HRC R = 0,1TR56 O-T 37,5HRC R = 0,1TR57 O-T 37,5HRC R = 0,1

Essais de fatigue en traction compression R=-1 Limites d’endurances sur les éprouvettes ayant de faibles contraintes résiduelles de compression en surface

Essais de fatigue en traction R=0.1Limites d’endurances en traction R=0.1 sur les éprouvettes ayant de faibles contraintes résiduelles

Comparaison avec les limites d’endurances de l’ancienne campagne

Calcul des paramètres de crossland α et β pour une contrainte hydrostatique plus élevée

Influence sur le type d’amorçage

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IV.1 Analyse fractographique des faciès de rupture

Éprouvettes CASE 60 HRC

Éprouvettes CORE 45 HRC

Éprouvettes OVER TEMPERED 37,5 HRC

Zone de propagation de la fissure



Amorçage interne

Amorçage en surface


Amorçage interne sur des inclusions non métalliques

Amorçage en surface sur des inclusions non métalliques






Éprouvettes O-T 37,5 HRC

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IV.1 Analyse fractographique des faciès de rupture


Inclusion non métalliques d’aluminates de calcium

Diamètres des inclusions: 15 a 30 μm

Spectrum: TR7-inclusion

Element Series unn. C norm. C Atom. C [wt.%] [wt.%] [at.%]-----------------------------------------Calcium K-series 15.29 16.49 8.96Aluminium K-series 38.01 40.98 33.10Oxygen K-series 39.44 42.53 57.93----------------------------------------- Total: 92.73 100.00 100.00

CaAl4O7

Analyse EDX des inclusions

Inclusion non métalliques de carbonitrure de titane

Amorçage interne de type fish-eye Mécanisme mécanique

Amorçage des fissures autour de l’inclusion Propagation en fatigue

Zone ductile

IV.2 Analyse des résultats de la campagne de traction-compression à R=-1

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Calcul de la limite d’endurance

step loading

Etendue des points


CASE 60 HRC CORE 45 HRC OVER TEMPERED 37,5 HRC

Mise en évidence d’un plateau entre 105 et 106 cycles

1031 MPa1098 MPa67 MPaécart

Mauvaise estimation par step loading Bonne estimation par step loading Bonne estimation par step loading

Whöler


step loading 762 MPa750 MPa-12 MPaécart

Whöler



Whöler

21 MPa

Anciennes éprouvettes : contraintes résiduelles de compression en surface

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IV.3 Analyse des résultats de la campagne de torsionCASE 60 HRC CORE 45 HRC OVER TEMPERED 37,5 HRC


step loading

Etendue des points

Mise en évidence d’un plateau entre 105 et 106 cycles

749 MPa801 MPa50 MPaécart

Mauvaise estimation par step loading

Mauvaise estimation par step loading

Bonne estimation par step loading

Whöler



Whöler


step loading 430 MPa440 MPa10 MPaécart

Whöler

27 MPa

Les points « step loading » sont proches de la courbe de whöler

Les points « step loading » sont proches de la courbe de whöler

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IV.2 Résultats des essais de fatigue à R=-1


Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC -750 MPa -114 MPaAnciennes éprouvettes Nouvelles éprouvettes

Elévation de la limite d’endurance d’environ 100 MPa

Pas d’influence sur le type d’amorçage : amorçage interne entre 105 et 106 cycles

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IV.2 Résultats des essais de fatigue à R=0.1


limites d’endurance

Traction-compression R=-1 1098 MPa

705 MPaTraction R=0.1 (1 essai « step-loading »)


Traction-compression R=-1 1098 MPa

500 MPaTraction R=0.1

(1 essai « step-loading »)

Éprouvettes O-T 37,5 HRC

Paramètre de Crossland αParamètre de Crossland β

CASE 60 HRC Faible contrainte

hydrostatique

O-T 37,5 HRCFaible contrainte

hydrostatique

CASE 60 HRC Forte contrainte hydrostatique

O-T 37,5 HRCForte contrainte hydrostatique

0,46 1,45 0,57 0,23801 1162 440 375

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Conclusion:

Paramètres α et β pour la zone 60HRC

Paramètres α et β pour la zone 37,5HRC

Paramètres α et β pour la zone 45HRC

Paramètres α et β du critère de Crossland pour chaque zone de dureté de la dent


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Merci pour votre attention


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