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Présentation de stage. Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction. Adrien DURAND Spécialité Génie Mécanique O ption Ingénierie des Matériaux et des surfaces. Plan de l’exposé. - PowerPoint PPT Presentation
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Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par
inductionPRÉSENTATION DE STAGE
Adrien DURANDSpécialité Génie Mécanique Option Ingénierie des Matériaux et des surfaces
2
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
3
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
I. Contexte du projet
Avantages du procédé de trempe par induction:
Procédé vert Rapide Meilleur contrôle du profil
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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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
I. Contexte du projet
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
x
5
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
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 d’engrenages aéronautiques traitées 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
I. Contexte du projet
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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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
I. Contexte du projet
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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 compression 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 traction compression R=-1
Limite d’endurance en torsion R=-1
Limite d’endurance en traction compression R=-1
Limite d’endurance en traction R=0.1
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
I. Contexte du projet:
Calcul des paramètres α et β : 2ème possibilité
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Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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:
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
Première estimation de la limite d’endurance
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Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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
Zone de propagation de la fissure
Zone de propagation de la fissure
Amorçage interne
Amorçage en surface
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 d’engrenages aéronautiques traitées par induction
Éprouvettes CASE 60 HRC
Éprouvettes CORE 45 HRC
Éprouvettes CORE 45 HRC
Éprouvettes O-T 37,5 HRC
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IV.1 Analyse fractographique des faciès de rupture
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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
Calcul de la limite d’endurance
step loading 762 MPa750 MPa-12 MPaécart
Whöler
Calcul de la limite d’endurance
step loading 604 MPa573 MPa-31 MPaécart
Whöler
21 MPa
Anciennes éprouvettes : contraintes résiduelles de compression en surface
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Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
IV.3 Analyse des résultats de la campagne de torsionCASE 60 HRC CORE 45 HRC OVER TEMPERED 37,5 HRC
Calcul de la limite d’endurance
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
Calcul de la limite d’endurance
step loading 579 MPa529 MPa-50 MPaécart
Whöler
Calcul de la limite d’endurance
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
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
limites d’endurance
Traction-compression R=-1 1098 MPa
705 MPaTraction R=0.1 (1 essai « step-loading »)
Éprouvettes CASE 60 HRC
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
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction
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Merci pour votre attention
Caractérisation des propriétés en fatigue d’engrenages aéronautiques traitées par induction