Caractérisation et modélisation du comportement en fatigue à grand nombre de cycles d’aciers cémentés : application aux systèmes de transmission de puissance pour l’aéronautique

Characterisation and modelling of the high cycle fatigue behaviour of case hardened steels : application to power transmission systems for the aeronautical industry

• Auteur / Autrice : Vincent Argoud
• Direction : Franck Morel, Etienne Pessard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2017; Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAMPA - Laboratoire Angevin de Mécanique, Procédés et InnovAtion
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés libres

Acier

Cémentation

Fatigue à grand nombre de cycles

Bimodalité

Modèle probabiliste

Steel

Carburizing

High cycle fatigue

Bimodality.

Probabilistic model

Résumé

Les dentures d’engrenage, généralement réalisées en acier, font souvent l’objet d’un renforcement de surface à l’aide de traitements thermochimiques tels que la cémentation, la carbonitruration ou la nitruration. Ces traitements engendrent des modifications microstructurales responsables d’un durcissement superficiel et de l’apparition de contraintes résiduelles de compression. Ces modifications permettent d’augmenter localement les performances du matériau vis-à-vis des chargements cycliques induits d’une part par le contact entre les dents et d’autre part par leur mise en flexion. Dans les deux cas, les chargements mécaniques sont concentrés en peau, le matériau à cœur ne subissant que de très faibles sollicitations. La durée de vie des dentures est donc essentiellement liée aux propriétés des couches superficielles modifiées par traitements thermochimiques et aux contraintes résiduelles introduites. Bien que les effets des traitements thermochimiques sur les propriétés en fatigue aient été largement étudiés à l’échelle de la « structure », peu de travaux ont concerné l’identification expérimentale du lien entre les caractéristiques locales des couches et leur tenue en fatigue. Le gradient de propriété induit par les traitements thermochimiques nécessite de procéder à une exploration fine des performances de ces couches à l’aide de l’application de chargements mécaniques agissant différemment en profondeur. Les travaux de thèse proposés ont donc pour objectif de déterminer expérimentalement la sensibilité au gradient de chargement de la limite d’endurance de différents couples aciers/traitements thermochimiques. Il s’agit également de mettre en place une méthodologie de dimensionnement en fatigue à même de rendre compte du couple matériau/procédé (caractérisé par le mécanisme de durcissement et par le gradient de microstructure) et des paramètres caractéristiques du chargement (gradient de contrainte appliqué et du rapport de charge).

Gears are generally steel-made and strengthened thanks to thermochemical treatments such as carburizing, nitrocarburizing or nitriding. These treatments involve microstructural modifications, producing a superficial hardening and compressive residual stresses which locally increase mechanical strengths regarding the cyclic loading applied to the teeth. This loading is caused by the contact between teeth and by the bending applied to the teeth. In both cases, the stress is concentrated on the case and the material core is barely stressed. Thus the teeth fatigue life mainly depends on superficial layer properties, modified by the thermochemical treatments, and residual stresses. Although a large number of studies concerning thermochemical treatment effects on fatigue properties were carried out at a “structure scale”, only a few of them tried to experimentally identify the link between local properties of the different material layers and their fatigue properties. The microstructure gradient caused by the thermochemical treatment implies to make use of different loading modes to reach the strength of the heterogeneous surface layer. This thesis aims at experimentally investigating the fatigue limit sensitivity to stress spatial distribution for different steels/treatments conditions. It is also dealing with a new fatigue design strategy built to derive the fatigue strength of a tooth from the knowledge of the material/process couple (characterised by the hardening mechanism and by the microstructure gradient) and of the loading mode (defined by the stress spatial distribution and the stress ratio).