Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction Présentation de stage Adrien DURAND Spécialité Génie Mécanique Option Ingénierie des Matériaux et des surfaces

Plan de l’exposé Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction Contexte du projet Objectifs du projet Moyens mis en œuvre Résultats Conclusion

Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction I. Contexte du projet Avantages du procédé de trempe par induction: Procédé vert Rapide Meilleur contrôle du profil Description du procédé: I Effet Joule  échauffement local Pièce ferromagnétique  courants induits en surface Courant alternatif dans l’inducteur  champ magnétique Changement de phase Résultats: Engrenage durcis en surface Trempe eau + polymère liquide

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

Projet général sur le procédé de trempe par induction Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction I. Contexte du projet Projet général sur le procédé de trempe par induction 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

Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction I. Contexte du projet Expérimentation Simulation numérique et critère d’endommagement Essai de fatigue de dent simple « single tooth bending fatigue » (collaboration avec Univ. Rimouski) Analyses fractographiques - lien entre mode de propagation de fissure et nature/dureté de la microstructure Mesure et caractérisation des gradients de contraintes résiduelles Modélisation par éléments finis Champ de contraintes issues du chargement en flexion Contraintes résiduelles mesurées par DRX en creux de dent Mesure des champs de déformation (speckle) Champ de contraintes totales vues par la dent en service Critère d’endommagement en fatigue multiaxiale Validation de la tenue en fatigue des engrenages

Critère de fatigue multiaxial Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction I. Contexte du projet Critère de fatigue multiaxial Forme générale: X1 et X2 liés au champ de contraintes dans le matériaux α et β paramètres du critère propre a un matériaux 𝐽 2,𝑎 +𝛼 𝜎 𝐻𝑚𝑎𝑥 ≤𝛽 Critère choisi: Critère de Crossland avec 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 torsion R=-1 Limite d’endurance en traction R=0.1 Limite d’endurance en traction compression R=-1 Limite d’endurance en traction compression R=-1

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

Déterminer les paramètres α et β pour chaque zone de dureté Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction II. Objectifs du stage: Déterminer les paramètres α et β pour chaque zone de dureté Campagne de fatigue réalisée a l’ETS par Robin LEFEBVRE Calcul des Limites d’endurance en traction compression R=-1 Analyse 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=0.1 Réalisation 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

Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction II. Objectifs du stage: Verification de l’évolution du critère de Crossland selon le niveau de pression hydrostatique vs. cisaillement Graphique représentatif du critère de Crossland

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

-570 MPa -200 MPa -200 MPa -114 MPa -114 MPa -750 MPa Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction III.1 Préparation des éprouvettes de fatigue 3ème étape: usinage de précision à la forme finale réalisé a l’ETS Objectif: minimiser les contraintes résiduelles dues a l’usinage 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 -570 MPa -200 MPa 4ème étape: Polissage long des éprouvettes jusqu’à 1µm Avant polissage Après polissage Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC -200 MPa -114 MPa Anciennes éprouvettes (Campagne de fatigue réalisée par Robin LEBFEVRE) Nouvelles éprouvettes Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC -114 MPa -750 MPa

Construction de la courbe S-N entre 105 et 106 cycles Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction III.2 Essais de fatigue Méthode Step-loading George K. HARITOS, Theodore NICHOLAS, David B. LANNING Int. J. Fatigue Vol. 21, No. 3, pp. 643-652, Première estimation de la limite d’endurance Construction de la courbe S-N entre 105 et 106 cycles Calcul de la limite d’endurance grâce a l’équation de Wöhler Log(N)=a-bσ Limite d’endurance = durée de vie à 106 cycles

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

IV.1 Analyse fractographique des faciès de rupture Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction IV.1 Analyse fractographique des faciès de rupture Éprouvettes CASE 60 HRC Amorçage interne sur des inclusions non métalliques Amorçage interne Éprouvettes CASE 60 HRC Éprouvettes CORE 45 HRC Zone de propagation de la fissure Éprouvettes CORE 45 HRC Amorçage en surface Amorçage en surface Éprouvettes CORE 45 HRC Zone de propagation de la fissure Éprouvettes OVER TEMPERED 37,5 HRC Amorçage en surface sur des inclusions non métalliques Amorçage en surface Éprouvettes O-T 37,5 HRC Zone de propagation de la fissure

IV.1 Analyse fractographique des faciès de rupture Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction IV.1 Analyse fractographique des faciès de rupture Analyse EDX des inclusions Inclusion non métalliques d’aluminates de calcium Spectrum: TR7-inclusion Element Series unn. C norm. C Atom. C [wt.%] [wt.%] [at.%] ----------------------------------------- Calcium K-series 15.29 16.49 8.96 Aluminium K-series 38.01 40.98 33.10 Oxygen K-series 39.44 42.53 57.93 Total: 92.73 100.00 100.00 CaAl4O7 Diamètres des inclusions: 15 a 30 μm Inclusion non métalliques de carbonitrure de titane Amorçage interne de type fish-eye Mécanisme mécanique Zone ductile Amorçage des fissures autour de l’inclusion Propagation en fatigue

Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction IV.2 Analyse des résultats de la campagne de traction-compression à R=-1 Anciennes éprouvettes : contraintes résiduelles de compression en surface CASE 60 HRC CORE 45 HRC OVER TEMPERED 37,5 HRC Calcul de la limite d’endurance Calcul de la limite d’endurance Calcul de la limite d’endurance step loading 1031 MPa step loading 762 MPa step loading 604 MPa Whöler 1098 MPa Whöler 750 MPa Whöler 573 MPa écart 67 MPa écart -12 MPa écart -31 MPa Mauvaise estimation par step loading Bonne estimation par step loading Bonne estimation par step loading Mise en évidence d’un plateau entre 105 et 106 cycles Etendue des points 21 MPa

IV.3 Analyse des résultats de la campagne de torsion CASE 60 HRC Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction IV.3 Analyse des résultats de la campagne de torsion CASE 60 HRC CORE 45 HRC OVER TEMPERED 37,5 HRC Calcul de la limite d’endurance Calcul de la limite d’endurance Calcul de la limite d’endurance step loading 749 MPa step loading 579 MPa step loading 430 MPa Whöler 801 MPa Whöler 529 MPa Whöler 440 MPa écart 50 MPa écart -50 MPa écart 10 MPa Mauvaise estimation par step loading Mauvaise estimation par step loading Bonne estimation par step loading Mise en évidence d’un plateau entre 105 et 106 cycles Les points « step loading » sont proches de la courbe de whöler Les points « step loading » sont proches de la courbe de whöler Etendue des points 27 MPa

IV.2 Résultats des essais de fatigue à R=-1 Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction IV.2 Résultats des essais de fatigue à R=-1 Anciennes éprouvettes Nouvelles éprouvettes Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC -750 MPa -114 MPa 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

IV.2 Résultats des essais de fatigue à R=0.1 Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction IV.2 Résultats des essais de fatigue à R=0.1 limites d’endurance Éprouvettes CASE 60 HRC Traction-compression R=-1 1098 MPa Traction R=0.1 (1 essai « step-loading ») 705 MPa Éprouvettes O-T 37,5 HRC Traction-compression R=-1 1098 MPa Traction R=0.1 (1 essai « step-loading ») 500 MPa CASE 60 HRC Faible contrainte hydrostatique CASE 60 HRC Forte contrainte hydrostatique O-T 37,5 HRC Faible contrainte hydrostatique O-T 37,5 HRC Forte contrainte hydrostatique Paramètre de Crossland α 0,46 1,45 0,57 0,23 Paramètre de Crossland β 801 1162 440 375

Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction Conclusion: Paramètres α et β du critère de Crossland pour chaque zone de dureté de la dent Paramètres α et β pour la zone 37,5HRC Paramètres α et β pour la zone 60HRC Paramètres α et β pour la zone 45HRC

Merci pour votre attention Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction Merci pour votre attention