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Effects of residual stress and material gradients produced by induction hardening on rolling contact fatigue

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Nguyen, Hoa Ngan (2019). Effects of residual stress and material gradients produced by induction hardening on rolling contact fatigue. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This research was conducted to provide a better understanding of the effects of induction hardening on rolling contact fatigue (RCF), using a finite element analysis. The finite element analysis was developed in 3D to estimate the maximum loading and the positions of crack nucleation sites for cylinder rolling contact. Rolling contact, with or without surface compressive residual stress, was studied and compared. The residual stress profile was chosen to simulate the effects of an induction hardening treatment on a 48 HRC tempered AISI 4340 steel component. As this hardening process does not only generate a residual stress gradient in the treated component, but also a hardness gradient (called the over-tempered region), both types of gradients were introduced in the model. Residual stresses in compression were generated in the hard case (about 60 HRC), tensile values were introduced in the over-tempered region, where harnesses as low as 38 HRC were set. In order to estimate the maximum allowable loads in the rotating cylinders to target a life of 10⁶ cycles, a multiaxial Dang Van criterion and a shear stress fatigue limit were used, under positive and negative hydrostatic conditions respectively. With the proposed approach, the induction-hardened component was found to have a significantly higher maximum allowable load than that obtained with a nontreated component and it was observed that the residual tensile stress peak in the over-tempered region could become a limiting factor for rolling contact fatigue life. Several simulations were run with various case depths and tensile residual stress peak intensities in the over-tempered region. The goal was to document their load performance in terms of maximum 10⁶ cycles and the related locations at which cracks would appear. It was found that with the hypotheses set in this study, the case depth at which the rolling contact fatigue behaviour was maximized is around 1.2 mm and the maximum load is 375% higher than with a non-treated part. The results are presented in detail and discussed, and recommendations for further development of the model are made.

Titre traduit

Effets des gradients de contrainte résiduelle et de propriétés matériaux produits par durcissement d’induction sur la fatigue de contact

Résumé traduit

Cette recherche a permis de mieux comprendre les effets du durcissement par induction sur la fatigue de contact de roulement (FCR) grâce à des simulations numériques par éléments finis. L’analyse par éléments finis a été développée en 3D pour estimer la charge maximale et les positions des sites de nucléation de fissure dans le cas de roulement pur au contact du cylindre. Le contact de roulement avec ou sans contrainte résiduelle de compression superficielle a été étudié et comparé. Le profil de contrainte résiduelle a été choisi pour simuler les effets d'un traitement de durcissement par induction sur un composant en acier AISI 4340 trempé à 48 HRC. Comme ce processus de durcissement génère non seulement un gradient de contrainte résiduelle dans la composante traitée, mais également un gradient de dureté (appelé région sur-revenue), les deux types de gradients ont été introduits dans le présent modèle. Des contraintes résiduelles en compression surfacique ont été générées dans la zone durcie (environ 60 HRC), des valeurs de tension ont été introduites dans la région sur-revenue, où une dureté aussi basse que 38 HRC a été définie. Afin d'estimer les charges maximales admissibles sur les cylindres en contact pour atteindre une durée de vie de 10⁶ cycles, le critère de Dang Van multiaxial et une limite de fatigue en contrainte de cisaillement ont été utilisés respectivement dans les conditions hydrostatiques positive et négative, respectivement. Avec l’approche proposée, il a été montré que la composante durcie par induction avait une charge maximale admissible significativement supérieure à celle obtenue avec une composante non traitée, et il a été observé que le pic de contrainte de tension résiduelle trouvé dans la région sur-revenue limitait le facteur de durée de vie en fatigue. Plusieurs simulations ont été effectuées avec différentes profondeurs durcies et intensités de pic de contrainte résiduelle en tension dans la région sur-revenue afin de prédire leur effet sur la charge maximale admissible. Ceci permet également d’étudier la position des fissures. Il a été constaté qu'avec les hypothèses formulées dans cette étude, la profondeur durcie permettant de maximal la charge appliquée pour une vie de 10⁶ cycles correspondant à une profondeur durcie d'environ 1,2 mm. La charge maximale est alors 375% supérieure à celle d'une pièce non traitée. Les résultats sont présentés en détail et discutés, et une recommandation pour le développement ultérieur du modèle est donnée.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctorate of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 119-126).
Mots-clés libres: induction, AISI 4340, contrainte résiduelle, dureté, couche durcie, région sur revenue, roulement, nucléation des fissures, charge maximale, pression maximale, cisaillement maximal de contrainte résiduelle, critère de Dang Van, limite de fatigue en cisaillement, cylindres en contact, pure roulement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 14 nov. 2019 19:23
Dernière modification: 14 nov. 2019 19:23
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2378

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