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Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction PRÉSENTATION DE STAGE Adrien DURAND Spécialité Génie Mécanique.

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1 Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction PRÉSENTATION DE STAGE Adrien DURAND Spécialité Génie Mécanique Option Ingénierie des Matériaux et des surfaces

2 2 Plan de lexposé Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction I.Contexte du projet II.Objectifs du projet III.Moyens mis en œuvre IV.Résultats V.Conclusion

3 3 Description du procédé: I Courant alternatif dans linducteur champ magnétique Effet Joule échauffement local Pièce ferromagnétique courants induits en surface Changement de phase Trempe eau + polymère liquide Résultats: Engrenage durcis en surface I. Contexte du projet Avantages du procédé de trempe par induction: Procédé vertRapideMeilleur contrôle du profil Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction

4 4 Propriétés mécaniques après induction: Profil de dureté Profil des contraintes résiduelles 60HRC 37,5HRC 45HRC Mise en évidence de 3 zones principales: Zone CASE 60 HRC Contraintes résiduelles de compression élevées Zone CORE 45 HRC Contraintes résiduelles de compression faible Zone OVER TEMPERED 37,5 HRC Contraintes résiduelles de traction x x I. Contexte du projet Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction x

5 5 Thèse de Vincent Savaria: Effet des contraintes résiduelles sur lendommagement par fatigue des engrenages aéronautiques durcis superficiellement par induction Traitement surfacique par induction dengrenages Modification des propriétés (dureté) et contraintes résiduelles Influence sur la tenue en fatigue de flexion des dents I. Contexte du projet 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 Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction

6 6 Simulation numérique et critère dendommagement 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 dendommagement 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 I. Contexte du projet Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction

7 7 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 Calcul des paramètres α et β I. Contexte du projet Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction Calcul des paramètres α et β : 1 ère possibilitéCalcul des paramètres α et β : 2 ème possibilité Limite dendurance en traction compression R=-1 Limite dendurance en torsion R=-1 Limite dendurance en traction compression R=-1 Limite dendurance en traction R=0.1 avec

8 8 Calcul des paramètres α et β : 1 ère possibilité Limite dendurance en traction compression R=-1 Limite dendurance en torsion R=-1 Limite dendurance en traction compression R=-1 Limite dendurance en traction R=0.1 Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction I. Contexte du projet: Calcul des paramètres α et β : 2 ème possibilité

9 9 Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction Déterminer les paramètres α et β pour chaque zone de dureté II. Objectifs du stage: Campagne de fatigue réalisée a lETS par Robin LEFEBVRE Calcul des Limites dendurance en traction compression R=-1 Analyse fractographique des faciès de rupture Campagne de fatigue réalisée a lENSMA de Poitier par Yves Nadot Calcul des Limites dendurance en torsion R=-1 Réalisation dune campagne de fatigue en traction R=0.1 Calcul des Limites dendurance en traction R=0.1 Réalisation dune campagne de fatigue en traction R=-1 (Avec le moins de contraintes résiduelles possibles sur les éprouvettes) Comparaison avec lancienne campagne de fatigue

10 10 II. Objectifs du stage: Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction Graphique représentatif du critère de Crossland Verification de lévolution du critère de Crossland selon le niveau de pression hydrostatique vs. cisaillement

11 11 3 types déprouvettes Représentatif des 3 principales zones de duretés après traitement par induction Éprouvettes CASE 60 HRC Éprouvettes CORE 45 HRC Éprouvettes OVER TEMPERED 37,5 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 1 ère étape: Usinage grossier dans le matériaux brut 2 ème étape: Traitement thermique de la matière III.1 Préparation des éprouvettes de fatigue Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction Dureté mesurée: 59HRCDureté mesurée: 47HRCDureté mesurée: 39HRC

12 12 3 ème étape: usinage de précision à la forme finale réalisé a lETS 4 ème étape: Polissage long des éprouvettes jusquà 1µm III.1 Préparation des éprouvettes de fatigue 1 ère recette dusinage - 8 passes de finition de 0.127mm 2 ème recette dusinage - 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 lusinage -570 MPa -200 MPa Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC Avant polissageAprès 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

13 13 George K. HARITOS, Theodore NICHOLAS, David B. LANNING Int. J. Fatigue Vol. 21, No. 3, pp , III.2 Essais de fatigue Méthode Step-loading Calcul de la limite dendurance grâce a léquation de Wöhler Log(N)=a-bσ Construction de la courbe S-N entre 10 5 et 10 6 cycles Limite dendurance = durée de vie à 10 6 cycles Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction Première estimation de la limite dendurance

14 14 Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction III.3 Planification des essais Essais de fatigue en traction compression R=-1 Limites dendurances sur les éprouvettes ayant de faibles contraintes résiduelles de compression en surface Essais de fatigue en traction R=0.1 Limites dendurances en traction R=0.1 sur les éprouvettes ayant de faibles contraintes résiduelles Comparaison avec les limites dendurances de lancienne campagne Calcul des paramètres de crossland α et β pour une contrainte hydrostatique plus élevée Influence sur le type damorçage

15 15 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 Amorçage en surface Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction Éprouvettes CASE 60 HRC Éprouvettes CORE 45 HRC Éprouvettes O-T 37,5 HRC

16 16 IV.1 Analyse fractographique des faciès de rupture Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction Inclusion non métalliques daluminates 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 Aluminium K-series Oxygen K-series Total: CaAl 4 O 7 Analyse EDX des inclusions Inclusion non métalliques de carbonitrure de titane Amorçage interne de type fish-eyeMécanisme mécanique Amorçage des fissures autour de linclusion Propagation en fatigue Zone ductile

17 IV.2 Analyse des résultats de la campagne de traction-compression à R=-1 17 Calcul de la limite dendurance step loading Etendue des points Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction CASE 60 HRCCORE 45 HRCOVER TEMPERED 37,5 HRC Mise en évidence dun plateau entre 10 5 et 10 6 cycles 1031 MPa 1098 MPa 67 MPa écart Mauvaise estimation par step loading Bonne estimation par step loading Whöler Calcul de la limite dendurance step loading 762 MPa 750 MPa -12 MPa écart Whöler Calcul de la limite dendurance step loading 604 MPa 573 MPa -31 MPa écart Whöler 21 MPa Anciennes éprouvettes : contraintes résiduelles de compression en surface

18 18 Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction IV.3 Analyse des résultats de la campagne de torsion CASE 60 HRCCORE 45 HRCOVER TEMPERED 37,5 HRC Calcul de la limite dendurance step loading Etendue des points Mise en évidence dun plateau entre 10 5 et 10 6 cycles 749 MPa 801 MPa 50 MPa écart Mauvaise estimation par step loading Mauvaise estimation par step loading Bonne estimation par step loading Whöler Calcul de la limite dendurance step loading 579 MPa 529 MPa -50 MPa écart Whöler Calcul de la limite dendurance step loading 430 MPa 440 MPa 10 MPa écart Whöler 27 MPa Les points « step loading » sont proches de la courbe de whöler

19 19 IV.2 Résultats des essais de fatigue à R=-1 Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC -750 MPa-114 MPa Anciennes éprouvettesNouvelles éprouvettes Elévation de la limite dendurance denviron 100 MPa Pas dinfluence sur le type damorçage : amorçage interne entre 10 5 et 10 6 cycles

20 20 IV.2 Résultats des essais de fatigue à R=0.1 Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction limites dendurance Traction-compression R= MPa 705 MPa Traction R=0.1 (1 essai « step-loading ») Éprouvettes CASE 60 HRC Traction-compression R= MPa 500 MPa Traction R=0.1 (1 essai « step-loading ») Éprouvettes O-T 37,5 HRC Paramètre de Crossland α Paramètre de Crossland β CASE 60 HRC Faible contrainte hydrostatique O-T 37,5 HRC Faible contrainte hydrostatique CASE 60 HRC Forte contrainte hydrostatique O-T 37,5 HRC Forte contrainte hydrostatique 0,461,450,570,

21 21 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 Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction

22 22 Merci pour votre attention Caractérisation des propriétés en fatigue dengrenages aéronautiques traitées par induction


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