Application et optimisation du chauffage par induction pour la prévention de la rupture en sous-couche des roulements et engrenages de grande dimension
Le chauffage par induction est largement utilisé pour le traitement thermique superficiel de composants mécaniques soumis à des sollicitations élevées, notamment les bagues de roulements et les engrenages de grandes dimensions. Ces dernières sont souvent fabriquées en acier 4130 (42CrMo4) et traitées par trempe superficielle après chauffage par induction afin d’améliorer leur résistance et leur durée de vie en service.
Toutefois, ce procédé génère des profils de contraintes résiduelles qui peuvent exercer une influence importante sur le comportement en fatigue des composants. Un mode de défaillance particulier des bagues de roulement est la rupture amorcée en sous-couche, qui peut se produire à une profondeur supérieure à celle correspondant à la zone de cisaillement maximal induite par le contact.
En collaboration avec le CETIM en France, un outil de calcul permettant de prédire le risque de rupture en sous-couche a été développé au sein du laboratoire LOPFA. Toutefois, son utilisation efficace et sa précision nécessitent une bonne compréhension de l’influence des paramètres du chauffage par induction sur les profils de contraintes résiduelles générés lors du traitement. Le projet de maîtrise vise donc à étudier l’influence de ces paramètres de trempe sur les caractéristiques mécaniques (contraintes résiduelles), métallurgiques (profil de dureté) et dimensionnelles (déformation) en vue de contribuer au raffinement de la méthode de dimensionnement utilisée pour éviter une rupture en sous-couche.
L’ÉTS dispose d’un équipement de chauffage par induction de taille industrielle permettant l’utilisation simultanée de deux fréquences. Cet équipement offre un environnement expérimental unique pour étudier l’influence des paramètres du procédé et approfondir la compréhension des mécanismes à l’origine des contraintes résiduelles générées lors du traitement.
Principales activités de recherche
- Réaliser une revue de la littérature sur la trempe par induction et la génération de contrainte lors du traitement ainsi que sur les méthodes utilisées pour prédire la performance en fatigue contact des engrenages.
- Contribuer à la conception d’un plan d’expériences (DOE) portant sur les paramètres de chauffe par induction sur la profondeur traitée et les caractéristiques du profil de contrainte généré pour des géométries simples (cylindres).
- Analyser les échantillons traités par induction en termes de profondeur traitée et de profil de contrainte généré.
- Modéliser le chauffage par induction, prédire la profondeur durcie et la génération des contraintes résiduelles en fin de traitement (en utilisant des modèles de plus en plus complexes pour prendre en considération les aspects multiphysiques - le logiciel Sysweld sera utilisé).
- Analyser les résultats, préparer des rapports techniques et présenter les résultats lors de réunions avec les partenaires universitaires et industriels.
- Tester plusieurs philosophies de chauffe par induction sur des géométries standards d’engrenage.
Les travaux pourront être valorisés par la participation à une conférence internationale à l’étranger
Connaissances requises
- Les personnes titulaires d’un baccalauréat en génie mécanique, en génie des matériaux ou dans un domaine connexe, et démontrant un intérêt pour la recherche appliquée, sont encouragées à soumettre leur candidature.
- Fort intérêt pour la fabrication, les contraintes résiduelles, la fatigue ainsi que le comportement mécanique des matériaux métalliques.
- Familiarité avec le travail en laboratoire, la préparation d’échantillons, la métallographie et les bonnes pratiques de sécurité expérimentale.
- Des connaissances ou une expérience en caractérisation des matériaux métalliques à l’aide de techniques telles que la diffraction des rayons X (DRX), la microscopie optique et la microscopie électronique à balayage (MEB) constituent un atout.
- Des connaissances ou une expérience en analyse numérique, en analyse de données, en statistiques et/ou en traitement d’images sont souhaitables.
- La maîtrise de MATLAB et/ou Python pour l’analyse de données et la modélisation numérique du comportement mécanique des matériaux métalliques et composites est souhaitable.
- Intérêt pour la simulation numérique par la méthode des éléments-finis.
- Capacité à travailler de façon autonome et collaborative dans un environnement multidisciplinaire universitaire–industriel, avec de bonnes aptitudes en communication technique et en rédaction scientifique.
- La maîtrise de l’anglais est un atout.
Nous encourageons les candidatures de personnes de tous horizons et accordons une grande importance à la représentation de groupes sous-représentés en génie. Nous invitons en particulier les femmes, les personnes autochtones, les personnes en situation de handicap à poser leur candidature. Nous sommes engagés à créer un milieu de travail où chaque personne peut être elle-même, se sentir respectée et contribuer pleinement, sans discrimination fondée notamment sur l’identité ou l’expression de genre, l’orientation sexuelle, l’origine, le handicap ou tout autre motif.