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

Résumé

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.

Date	27 août 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Philippe Bocher (Directeur(-trice))