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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
I. Contexte du projet
II. Objectifs du projet
III. Moyens mis en œuvre
IV. Résultats
V. Conclusion
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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:
Effet Joule
 échauffement local
I
Courant alternatif dans l’inducteur
 champ magnétique
Pièce ferromagnétique
 courants induits en
surface
Changement de phase
Résultats:
Engrenage durcis en surface
Trempe eau + polymère liquide
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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:
Zone CASE
60 HRC
Contraintes résiduelles de compression élevées
Zone CORE
45 HRC
Contraintes résiduelles de compression faible
x
Profil de dureté
Zone OVER TEMPERED
37,5 HRC
Contraintes résiduelles de traction
x
Profil des contraintes résiduelles
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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
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Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages
aéronautiques traitées par induction
I. Contexte du projet
Expérimentation
Essai de fatigue de dent simple
« single tooth bending fatigue »
(collaboration avec Univ. Rimouski)
Mesure des champs de
déformation (speckle)
Simulation numérique et critère d’endommagement
Analyses fractographiques
Modélisation par éléments finis
Mesure et caractérisation des
gradients de contraintes résiduelles
- lien entre mode de propagation
de fissure et nature/dureté de la
microstructure
Champ de contraintes issues
du chargement en flexion
Contraintes résiduelles mesurées
par DRX en creux de dent
Champ de contraintes totales vues par la dent
en service
Critère d’endommagement en fatigue
multiaxiale
Validation de la tenue en
fatigue des engrenages
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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
Critère choisi: Critère de Crossland
𝐽2,𝑎 + 𝛼𝜎𝐻𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝛽
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
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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
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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
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Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages
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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
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aéronautiques traitées par induction
III.1 Préparation des éprouvettes de fatigue
3 types d’éprouvettes
Représentatif des 3 principales zones de duretés
après traitement par induction
1ère étape: Usinage grossier dans le matériaux brut
2ème étape: Traitement thermique de la matière
Éprouvettes CASE
60 HRC
-850°C-45min
trempe à l'eau 10%POL
-Revenu 380°C - 2h
-Induction
-Revenu post-induction
149°C - 2h
Dureté mesurée: 59HRC
Éprouvettes CORE
45 HRC
-850°C-45min
trempe à l'eau 10%POL
-Revenu 380°C - 2h
-Revenu post-induction
149°C - 2h
Dureté mesurée: 47HRC
Éprouvettes OVER TEMPERED
37,5 HRC
-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: 39HRC
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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
2ème recette d’usinage
- 8 passes de finition de 0.127mm - 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
Contraintes résiduelles a la
surface des éprouvettes 60HRC
-200 MPa
Après polissage
-114 MPa
Anciennes éprouvettes
(Campagne de fatigue réalisée par
Robin LEBFEVRE)
Contraintes résiduelles a la
surface des éprouvettes 60HRC
-750 MPa
Nouvelles éprouvettes
-114 MPa
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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
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III.3 Planification des essais
Identification Zone simulée
TR37
TR38
TR39
TR40
TR41
TR47
TR48
TR49
TR52
TR42
TR43
TR44
TR45
TR46
TR50
TR53
TR54
TR55
TR56
TR57
CASE 60HRC
CASE 60HRC
CASE 60HRC
CASE 60HRC
CASE 60HRC
CASE 60HRC
CORE 45HRC
CORE 45HRC
O-T 37,5HRC
CASE 60HRC
CASE 60HRC
CASE 60HRC
CASE 60HRC
CASE 60HRC
CORE 45HRC
O-T 37,5HRC
O-T 37,5HRC
O-T 37,5HRC
O-T 37,5HRC
O-T 37,5HRC
Rapport de
Commentaires
charge R
R = -1
R = -1
R = -1
R = -1
R = -1
R = -1
R = -1
R = -1
R = -1
R = 0,1
R = 0,1
R = 0,1
R = 0,1
R = 0,1
R = 0,1
R = 0,1
R = 0,1
R = 0,1
R = 0,1
R = 0,1
Step loading
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
Step loading
Step loading
Step loading
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
Step loading
Step loading
Calcul des paramètres de crossland
α et β pour une contrainte
hydrostatique plus élevée
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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
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IV.1 Analyse fractographique des faciès de rupture
Inclusion non métalliques
Analyse EDX des inclusions
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
d’aluminates de calcium
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
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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
Calcul de la limite d’endurance
step loading
Whöler
écart
1031 MPa
1098 MPa
67 MPa
Mauvaise estimation
par step loading
CORE 45 HRC
Calcul de la limite d’endurance
step loading
Whöler
écart
762 MPa
750 MPa
-12 MPa
Bonne estimation par step loading
OVER TEMPERED 37,5 HRC
Calcul de la limite d’endurance
step loading
Whöler
écart
604 MPa
573 MPa
-31 MPa
Bonne estimation par step loading
Mise en évidence d’un plateau
entre 105 et 106 cycles
Etendue des points
21 MPa
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IV.3 Analyse des résultats de la campagne de torsion
CASE 60 HRC
CORE 45 HRC
Calcul de la limite d’endurance
step loading
Whöler
écart
749 MPa
801 MPa
50 MPa
Calcul de la limite d’endurance
step loading
Whöler
écart
579 MPa
529 MPa
-50 MPa
Mauvaise estimation
par step loading
Mauvaise 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
Etendue des points
27 MPa
OVER TEMPERED 37,5 HRC
Calcul de la limite d’endurance
step loading
Whöler
écart
430 MPa
440 MPa
10 MPa
Bonne estimation par step loading
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
Anciennes éprouvettes
Contraintes résiduelles a la surface des éprouvettes 60HRC
-750 MPa
Nouvelles éprouvettes
-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
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IV.2 Résultats des essais de fatigue à R=0.1
limites d’endurance
Éprouvettes CASE 60 HRC
Traction-compression R=-1
Traction R=0.1
(1 essai « step-loading »)
1098 MPa
705 MPa
Éprouvettes O-T 37,5 HRC
Traction-compression R=-1
Traction R=0.1
(1 essai « step-loading »)
CASE 60 HRC
CASE 60 HRC
O-T 37,5 HRC
Faible contrainte Forte contrainte Faible contrainte
hydrostatique
hydrostatique
hydrostatique
1098 MPa
500 MPa
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
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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
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Merci pour votre attention
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