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Contraintes résiduelles et leurs impacts sur l'amorçage de fissures en fatigue de flexion dans des engrenages aéronautiques durcis superficiellement par induction

Savaria, Vincent (2014). Contraintes résiduelles et leurs impacts sur l'amorçage de fissures en fatigue de flexion dans des engrenages aéronautiques durcis superficiellement par induction. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’optimisation des engrenages utilisés dans les turboréacteurs aéronautiques passe par le développement de technologies de durcissement superficiel afin d’en augmenter fortement la durabilité en service. Le chauffage par induction suivi d’une trempe est un traitement de plus en plus utilisé dans ce domaine pour améliorer la tenue en fatigue de composantes critiques comme les engrenages. Dans ce contexte, cette thèse étudie l’impact des paramètres du procédé d’induction sur les contraintes résiduelles ainsi que l’effet de ces dernières sur la tenue en fatigue de flexion simple de roues dentées traitées avec ce procédé. Deux techniques de mesure des contraintes résiduelles existantes, la diffraction de rayons X et la méthode des contours, ont été adaptées à la mesure dans des pièces induites. La mesure de contraintes résiduelles par diffraction de rayons X a été significativement améliorée dans cette thèse par la considération de l’évolution de la constante élastique radiographique à différents points de la couche durcie et le développement d’une méthode de correction par éléments finis pour l’enlèvement de matière permettant des mesures en profondeur plus précises et ce pour toutes sortes de géométries. La méthode des contours s’est avérée un outil puissant pour la cartographie complète des contraintes résiduelles à coeur des pièces mais s’est montrée imprécise pour la mesure près de la surface en présence de profondeurs durcies plus faibles. L’utilisation de ces techniques dans le présent travail a permis de quantifier les effets de plusieurs paramètres (dureté initiale, préchauffe, chauffe finale, revenu) dans des disques et des roues aéronautiques à denture droite. Les résultats obtenus montrent notamment que deux traitements par induction peuvent parfois induire des contraintes résiduelles différentes (amplitude, sévérité de la transition vers la tension, etc.) pour une même profondeur durcie. La fatigue de flexion de ces roues dentées a ensuite été étudiée de façon expérimentale à l’aide d’un banc d’essai de flexion dent-par-dent et de façon numérique par la proposition d’un modèle pour le calcul de la limite d’endurance en flexion. La calibration du modèle s’est basée sur des campagnes de fatigue réalisées sur éprouvettes en traction et en torsion alternées. Les résultats des essais de flexion sur les roues dentées ont permis de démontrer la cohérence du modèle de fatigue proposé. Le critère de Crossland sans effet du gradient a donné des résultats plus proches des résultats expérimentaux dans ce cas précis. Ce modèle de prédiction de fatigue multiaxiale 3D propose une contribution significative par la considération simultanée de l’effet de gradient, des contraintes résiduelles, de la rugosité de surface et des variations de propriétés causées par le durcissement superficiel. Les traitements par induction étudiés ont amélioré la résistance en fatigue de flexion des roues dentées de 45 à 71 % selon le cas.

Résumé anglais

The optimization of gearing for aeronautical engines depends on the development of surface hardening processes to significantly improve in-service durability. Induction heating followed by quenching is a treatment increasingly used in this field to improve the fatigue resistance of critical components such as gears. In this context, this thesis studies the impact of the induction process parameters on residual stresses and the effects of those stresses on the bending fatigue of induction hardened gears. Two existing residual stress measurement techniques, X-ray diffraction and the contour method, were adapted for induction hardened components. The residual stress measurement by X-ray diffraction technique has been significantly improved in this thesis by the consideration of the variation of the X-ray elastic constant at different locations in the hardened layer and the development of a finite element based layer removal correction method that enabled more accurate in-depth residual stress measurements in all sort of geometries. The contour method is clearly a powerful tool for residual stress mapping at the core of parts but proved to be inaccurate for near-surface measurements in the case of thin hardened layers. These methods were used to show the effects of several parameters (initial hardness, preheating, final heating, tempering) with discs and aeronautical spur gears. The results indicate that two induction treatments can sometimes produce two different residual stress distributions (amplitude, severity of gradient in the transition zone, etc.) for a similar hardened depth. The bending fatigue of those gears was studied experimentally with a single tooth bending test rig and numerically with the proposition of a fatigue model for the calculation of the bending endurance limit. The calibration of the model was based on fatigue tests results on traction and torsion specimens. Bending fatigue testing results on gears confirmed the overall accuracy of the proposed model predictions. The Crossland criterion without the gradient effect gave better prédictions when compared with the experimental results for that particular case. This 3D multiaxial fatigue prediction model represents a significant improvement over previous approaches by the simultaneous consideration of the so-called gradient effect, residual stresses, surface roughness and the variation of properties caused by the surface hardening. The induction treatments used in this study improved the bending fatigue resistance of spur gears by 45 to 71 % depending on the case.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technolologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 383-400.
Mots-clés libres: Engrenages Fatigue. Avions Turboréacteurs. Contraintes résiduelles. Chauffage par induction. Métaux Trempe. Rayons X Diffraction. contour, méthode, méthode des contours, fatigue multiaxiale, engrenage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bridier, Florent
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 27 mars 2014 14:20
Dernière modification: 23 mars 2015 20:11
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1280

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