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

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.

Date	28 janv. 2014
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Philippe Bocher (Directeur(-trice)) & Florent Bridier (Codirecteur(-trice))