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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE M’HAMED BOUGARA- BOUMERDES FACULTE DES HYDROCARBURES ET DE LA CHIMIE Département : Transport et Equipements des Hydrocarbures LABORATOIRE : FIABILITE DES EQUIPEMENTS PETROLIERS ET MATERIAUX MEMOIRE Présenté par : Mr. Sadek BRAHMI EN VUE DE L’OBTENTION DU TITRE DE MAGISTER EN GENIE MECANIQUE Option : Fiabilité et Maintenance Industrielle THEME Soutenu devant le jury : K. Chaoui Professeur (Université d’Annaba) Président M. Gaceb Maître de Conférences (UMBB) Rapporteur B. Chemani Maître de Conférences (UMBB) Examinateur E. Bouali Maître de Conférences (UMBB) Examinateur N. Abdelbaki Maître de Conférences (UMBB) Examinateur Boumerdès 2009 Etude de l’Influence de l’Intégrité de surface sur la résistance à la fatigue des pièces usinées

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  • REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE

    LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

    UNIVERSITE MHAMED BOUGARA- BOUMERDES

    FACULTE DES HYDROCARBURES ET DE LA CHIMIE

    Dpartement : Transport et Equipements des Hydrocarbures

    LABORATOIRE : FIABILITE DES EQUIPEMENTS PETROLIERS ET MATERIAUX

    MEMOIRE Prsent par :

    Mr. Sadek BRAHMI EN VUE DE LOBTENTION DU TITRE DE

    MAGISTER EN GENIE MECANIQUE Option : Fiabilit et Maintenance Industrielle

    THEME

    Soutenu devant le jury : K. Chaoui Professeur (Universit dAnnaba) Prsident M. Gaceb Matre de Confrences (UMBB) Rapporteur B. Chemani Matre de Confrences (UMBB) Examinateur E. Bouali Matre de Confrences (UMBB) Examinateur N. Abdelbaki Matre de Confrences (UMBB) Examinateur

    Boumerds 2009

    Etude de lInfluence de lIntgrit de surface sur la rsistance la

    fatigue des pices usines

  • Remerciements

    Je remercie particulirement mon promoteur monsieur Mohamed Gaceb pour son aide

    prcieuse, sa patience et le temps quil ma accord malgr ses proccupations au sein du

    dpartement.

    Ce travail a t ralis principalement au sein du laboratoire de fiabilit des

    quipements ptroliers et matriaux du Dpartement Transport et Equipements des

    Hydrocarbures de la Facult des Hydrocarbures et de la Chimie. Je tiens donc remercier

    tous les membres du laboratoire qui ont contribu de prs ou de loin ce modeste travail.

    Je tiens remercier le personnel de centre de soudage et control de soudage CSC pour

    leur aide, et en particulier Mr Y. Yahmi.

  • Ddicaces

    Je ddie ce travail

    mes parents

    ma famille

    mes amis

  • RESUME

    On parle communment de la durabilit d'un matriau comme s'il s'agissait d'une proprit

    fondamentale dfinie comme la priode de temps pendant laquelle le matriau accomplira une

    fonction utile. La vie utile d'un matriau en service dpend cependant toujours non seulement

    de la combinaison des facteurs de charge et d'environnement auxquels il est soumis mais aussi

    des facteurs d'intgrit dont l'tat de surface constitue un facteur trs important. Ainsi il faut

    toujours tenir compte des paramtres d'tat des surfaces ds la mise en service lorsque l'on

    considre la durabilit, ou vie du matriau en service.

    Cette dpendance est encore plus ressentie dans le cas des matriaux utiliss dans la

    confection de composants sollicits la fatigue. Que ce soit en fatigue mcanique ou en

    fatigue de contact, les gradients de proprit au voisinage de la surface (microstructure, degr

    dcrouissage, contraintes rsiduelles) et les imperfections superficielles apportes par les

    procdes de fabrication jouent un rle primordial sur la tenue la fatigue en service du

    composant.

    La prsente tude vise tablir l'influence des paramtres de surfaces ralises par

    tournage sur la rsistance la fatigue d'un acier XC 48, en s'attachant plus particulirement a

    identifier l'effet de la rugosit et du degr d'crouissage qui peuvent tre produits sous

    diffrentes conditions d'usinage des surfaces. Pour ce faire, diverses prouvettes, prsentant

    des combinaisons varies d'tat de surfaces, ralises par tournage diffrents paramtres de

    coupe ont t soumises des essais de flexion rotative et l'effet sur la dure de vie et la limite

    de fatigue, pour divers conditions de chargement, a t valu.

  • ABSTRACT

    We commonly think about the durability of a material as a fundamental property defined

    as the period of time during which the material will achieve a useful function. The useful life

    of a material in service, however always depends not only on the combination of the

    environmental and load factors to which it is subjected but also on integrity factors amongst

    which the state of the surface constitutes a very important factor. Thus it is always necessary

    to take into account the surface state parameters as soon as the component is put into service

    whenever durability or service life of a material is considered.

    This dependence is even more felt in the case of materials used in the manufacturing of

    components subjected to fatigue loading. Whether it is bulk or contact fatigue, the property

    gradients in the surface vicinity (microstructure, work hardening, residual stresses) and the

    surface imperfections brought about by the manufacturing process play a primordial role on

    the fatigue behavior of the component in service.

    The present study aims at establishing the influence of the surface parameters of turned

    components on the fatigue strength of XC48 steel, while paying a particular attention to

    identifying the effects of the surface roughness and the work hardening which can be

    produced under various machining conditions of the surfaces. With this intention, various

    specimens, presenting different combinations of surface quality obtained by turning under

    various cutting conditions were subjected to rotative flexion tests and the effect on the

    lifespan and the fatigue limit, for various conditions of loading, was evaluated.

  • .

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    . ,

    ) , (

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    XC48

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    .

  • TABLE DES MATIERES Remerciements

    Rsum

    Tables des matires

    Introduction gnrale....

    Chapitre 1 : Usinage des matriaux

    1.1. Introduction..................

    1.2 Description de lopration dusinage..

    1.3 Gomtrie de coupe et terminologie.........................

    1.3.1 Approche nergtique : Modle de Merchant..

    1.3.2 Approche mcanique....

    1.3.3 Approche thermo-mcanique...

    1.4 Classement des types de copeau...

    1.5 Mcanisme de Formation de la nouvelle surface ....

    1.5.1 Gnration de l'arte rapporte........

    1.5.2 Gnration de chaleur.......

    1.6 Conclusions...

    Chapitre 2 : Caractristiques des surfaces usines

    2.1 Introduction...

    2.2. Texture de la surface........

    2.2.1 Dfinitions des critres de rugosit (norme NF E 05-015)..

    2.3. Dfauts de la surface usine ........

    2.3.1 cailles..

    2.3.2 Cavits..

    2.3.3 Microstries....

    2.3.4 Microfissures....

    2.4. Facteurs conditionnant ltat des surfaces tournes.....

    2.4.1 Effet du rgime de coupe sur la rugosit..

    2.4.1.1 Influence des fluides rfrigrants et lubrifiants.

    2.4.1.2 Effet de l'paisseur de copeau non dform sur la rugosit .....

    2.4.1.3 Effet de l'angle de coupe sur la rugosit ...

    2.4.2 Influence du rgime de coupe sur lcrouissage superficiel ..

    2.4.3 Influence des conditions de coupe sur les contraintes rsiduelles...

    2.4.4 Effet des phnomnes dynamiques ...

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  • 2.4.5 Effet des dformations plastiques...

    2.4.6 Effet des changements de phase ....

    Chapitre 3 : Etude de la fatigue

    3.1 Introduction...

    3.2. Aperu sur le phnomne de fatigue....

    3.2.1 Endommagement par fatigue....

    3.2.2 Mcanisme de rupture par fatigue....

    3.2.2.1 Stade d'amorage...

    3.2.2.2 Stade de propagation.

    3.2.2.3 Rupture brutale..

    3.2.3 Diagramme d'endurance...

    3.3 volution structurale en cours de la fatigue..

    3.4 Modifications superficielles en cours de fatigue...

    3.5. Facteurs influant la fatigue...

    3.5.1 Facteurs mtallurgiques...

    3.5.1.1 Facteurs lis l'laboration de l'acier....

    3.5.1.2 Facteurs lis la mise en forme ..

    3.5.1.3. Facteurs lis aux traitements thermiques..

    3.5.2 Influence de la charge la rupture en traction Rr ....

    3.5.3 Facteurs gomtriques..

    3.5.4 Influence du mode de sollicitation....

    3.5.5 Influence de la frquence des sollicitations......

    3.5.6 Influence de la temprature..

    3.5.7 Influence de la corrosion..

    3.5.8 Facteurs lis la nature des surfaces usines...

    3.5.8.1 Influence de la rugosit..

    3.5.8.2 Influence des contraintes rsiduelles sur la tenue en fatigue

    3.5.9 Influence de la lubrification durant l'usinage...

    3.6. Facis de rupture en fatigue......

    3.6.1 Rupture fragile......

    3.6.2 Rupture ductile.....

    3.7 Conclusions...

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  • Chapitre 4 : Procdures exprimentaux

    4.1. Introduction..........................

    4.2. Matriau tudi ..............

    4.3. Usinage des prouvettes ................

    4.3.1 Outil de coupe utilis..

    4.4. Mesure de la rugosit....

    4.5 Mesure de la Microduret .....

    4.6 Micrographie des pices usines..

    4.6.1 Choix de plan du coupe ...

    4.6.2 Dcoupe....

    4.6.3 Polissage mcanique....

    4.6.4 Attaque micrographique .....

    4.7 Etude de la rsistance la fatigue..........

    4.7.1 Prparation des prouvettes de fatigue.....

    4.7.2 Machine de fatigue en flexion rotative.....

    4.8 Difficults rencontres.......

    Chapitre 5 : Rsultats exprimentaux

    5.1 Introduction...

    5.2 Influence des conditions dusinage sur lintgrit de surface ......

    5.2.1 Influence sur la rugosit de surface .....

    5.2.1.1 Influence de la vitesse de coupe......

    5.2.1.2 Influence de avance ...

    5.2.1.3 Influence de la profondeur de passe......

    5.2.2 Influence sur la microduret ........

    5. 2.2.1 Influence de la vitesse de coupe.....

    5.2.2.2 Influence de lavance......

    5.2.2.3 Influence de la profondeur de passe

    5.3 Comportement du matriau en fatigue..

    5.3.1 Influence de la vitesse de coupe...

    5.3.2 Influence de lavance....

    5.3.3 Influence de la profondeur de passe.

    5.4 Conclusion.....

    Conclusion gnrale .....

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  • Introduction Gnrale.

    . . -4-

    INTRODUCTION

    La construction mcanique impose des conditions de plus en plus svres. Aujourd'hui

    on ne saurait imaginer le fonctionnement correct des organes de machines sans assister d'une

    certaine qualit des surfaces, selon lesquelles elles s'assemblent. En service, lendommagement

    des organes touche en premier lieu les couches superficielles du mtal, ce qui laisse prsumer

    de l'importance que revt la propret de l'usinage l'gard du fonctionnement et de la longvit

    d'un ensemble.

    Un grand nombre d'expriences, [1-3], ont montr que la rsistance la fatigue des pices

    usines dcrot de faon considrable lorsque leur surface prsente des rayures ou stries, mme

    microscopiques. Ces dfauts superficiels provoquent des concentrations de contraintes prsentant

    une source permanente de fissures, voir d'amorce de rupture.

    Pour cette raison la connaissance la plus intime des relations empiriques entre l'influence

    des facteurs de base dusinage par loutil coupant, (proprits du matriau travaill, vitesse de

    coupe Vc, avance f, profondeur de passe a, gomtrie de la partie active de l'outil, fluide

    rfrigrant et lubrifiant, etc.) et la qualit de la surface travaille est recherche.

    Le contexte gnral de cette tude est la fabrication et la spcification des surfaces de

    pices mcaniques soumises des sollicitations de fatigue. En effet, les moyens et les conditions

    d'usinage sont en volution constante pour assurer une productivit toujours croissante. Or la

    modification des gammes d'usinage entrane une variation des proprits de surface et pose

    donc la question de la qualit en service des pices usines [2]. La tenue en fatigue en est un des

    critres principaux. Il apparat donc essentiel pour continuer progresser en matire de

    productivit tout en garantissant une qualit connue des pices, de fournir au concepteur les

    critres d'influence sur la tenue en fatigue des pices lis au processus de fabrication. Cette

    tude prsente les rsultats d'essais de fatigue raliss sur des prouvettes usines en tournage

    sur un acier XC 48 utilis pour la fabrication des pices mcaniques. Pour caractriser les tats

    de surface obtenus, trois paramtres sont retenus :

    Un paramtre gomtrique : la rugosit,

    Un paramtre mcanique : la microduret,

    Un paramtre mtallurgique : la microstructure.

  • Introduction Gnrale.

    . . -5-

    Ces trois paramtres peuvent tre varis dans un domaine restreint, par le choix des

    conditions d'usinage.

    Le tour permet de raliser des prouvettes cylindriques destines explorer la fatigue en

    flexion rotative. Les mesures de rugosit, les mesures de microduret et des observations

    mtallographiques n'ont pas permis de mettre en vidence une volution sensible de la

    microstructure au del d'une paisseur de l'ordre de quelques micromtres correspondant la

    rsolution des mthodes utilises. Cette problmatique, est dtaille au chapitre 5.

    Lobjectif principal est de dterminer une relation globale des conditions de formation

    des surfaces de pices avec leurs performances en service.

    Le premier chapitre introductif concerne l'tude bibliographique. Il permet de rappeler les

    bases scientifiques du phnomne de la coupe des mtaux et des mcanismes de formation du

    profil microgomtrique sur les surfaces usines.

    Dans le deuxime chapitre, nous indiquons tous les facteurs et paramtres conditionnant

    ltat de surfaces tournes dans cette tude et nous exposons l'influence des facteurs dusinage de

    base sur la qualit de la surface travaille.

    Le troisime chapitre introduit le phnomne de fatigue des matriaux, discute le

    comportement des pices en fatigue en fonction des caractristiques mcaniques de rsistance en

    flexion rotative et de duret des matriaux ainsi que les caractristiques topographiques et

    mtallurgiques de la surface et de la couche superficielle influence durant l'usinage des pices

    mcaniques.

    Le quatrime chapitre concerne les procdures exprimentales et donne une description

    du matriau tudi, des moyens et des conditions des essais effectus ainsi que des difficults

    rencontres lors des essais.

    Le cinquime chapitre, concerne ltude exprimentale du comportement des pices

    mcaniques en fatigue, avec diffrentes caractristiques de la surface, selon deux exposs. Le

    premier consiste trouver une relation entre les conditions dusinage et ltat de la surface usine

    (Rugosit, crouissage et microstructure). Le deuxime consiste tablir une relation entre les

    proprits de la surface usine et la rsistance la rupture en fatigue.

    Finalement, des conclusions de notre contribution sont formules. En outre des

    justifications sont proposes sur linfluence des diffrents paramtres de coupe sur lintgrit de

  • Introduction Gnrale.

    . . -6-

    la surface et consquemment sur la rsistance la fatigue des pices usines par enlvement de

    la matire.

  • Chapitre 1

    Usinage des matriaux

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -8-

    1.1. Introduction

    La coupe des mtaux, procd d'usinage dont l'origine est trs ancienne, a connu une grande

    expansion avec la mcanisation de plus en plus pousse des ateliers de fabrication. Malgr

    l'apparition de nouvelles techniques de fabrication au cours des dernires annes, la fabrication par

    enlvement de mtal reste l'heure actuelle l'un des procds les plus largement utiliss.

    La recherche d'une productivit toujours meilleure de la coupe des mtaux est donc une

    proccupation majeure. Cette amlioration permanente repose plus ou moins directement sur l'tude

    approfondie des mcanismes physiques et des lois rgissant ce procd. Celle-ci reste donc un

    objectif essentiel. Son intrt ne peut tre clips par le dveloppement de nouveaux moyens

    d'usinage ou de nouvelles techniques de commande et de programmation.

    La mise en oeuvre rationnelle de ces techniques passe en effet par une connaissance

    approfondie du processus de coupe et une matrise des paramtres qui le contrlent.

    1.2 Description de lopration dusinage

    L'usinage est l'opration durant laquelle le matriau est enlev de l'bauche au moyen d'un

    outil dur qui se dplace relativement la surface de l'bauche pour produire une surface usine

    (fig.1.1). Le matriau enlev sous forme de ruban est appel copeau. L'enlvement du copeau peut

    tre ralis par une varit d'outils possdant une ou plusieurs artes de coupe.

    Figure 1.1 : Procd dusinage en tournage.

    Outil

    Pice

    Copeau

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -9-

    Toutefois les mcanismes de formation de copeau avec ces diffrents outils sont lis ceux

    du cas lmentaire de l'usinage par une seule arte de coupe, avec les caractristiques d'usinage

    orthogonal (figure.1.2) Dans ce cas l'arte de coupe est perpendiculaire la direction de coupe.

    L'usinage orthogonal peut tre ralis aussi bien par tournage (fig.1.2.) que par rabotage o la

    largeur d'arte est plus grande que l'paisseur de la surface usine.

    1.3 Gomtrie de coupe et terminologie

    La figure 1.3 montre une section de la zone de coupe. Dans ce procd l'arte de l'outil est

    forme par l'intersection de deux faces. La face de coupe sur laquelle glisse le copeau, forme un

    angle de coupe avec la normale la surface usine et la deuxime est la face de dpouille qui

    forme un angle de dpouille avec la surface usine. Ce dernier angle permet d'viter les

    frottements de l'outil avec la surface usine.

    Si la face de coupe fait un angle avec la surface usine infrieur 90 l'outil est dit angle

    de coupe positif (fig.1.3a) dans l'autre cas l'outil est angle ngatif (fig.1.3b).

    Figure 1.3 : Angle de coupe de loutil

    Angle de coupe

    Angle de tranchant

    (b) angle de coupe ngatif. (a) angle de coupe positif

    Figure 1.2: Usinage orthogonal

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . .

    En pratique l'arte de coupe n'est jamais infiniment aigu, mme si elle est faonne

    par les meilleures mthodes d'afftage. L'arte est caractrise par un arc reliant la face de

    coupe et la face de dpouille. La finesse de l'arte est donc dfinie par le rayon de courbure

    r de cet arc (fig. 1.4).

    Le rapport k=t1/t2 de l'paisseur de copeau est appel rapport de coupe ou aussi

    facteur de compression [4]. Les zones de contact entre le copeau et la face de coupe et entre

    la pice et la face de dpouille sont appeles interfaces copeau - outil et pice - outil.

    L'usinage se fait par le dplacement de l'outil (fig.1.4) avec une vitesse de coupe Vc

    le long de la surface de l'bauche, une profondeur t1 appele paisseur de copeau non

    dform. L'paisseur t2 est l'paisseur du copeau enlev. En tournage la vitesse de coupe

    provient de la rotation de la pice. Le dplacement de l'outil dans la direction de l'axe de

    rotation de la pice est appel avance de l'outil qui est donne en millimtres par tour de la

    pice. Trois approches pour ltude du processus d'usinage ont ts proposes.

    1.3.1 Approche nergtique : Modle de Merchant

    Merchant a labor un premier modle simple de l'coulement d'un copeau sur un

    outil [5]. Ce modle traite principalement des copeaux obtenus faibles vitesses et d'aspects

    peu dentels. La zone de cisaillement principal est assimile un plan faisant un angle

    avec la surface usine appel angle de cisaillement. L'effort de coupe F peut tre

    Figure 1.4 : Reprsentation schmatique de la zone de coupe

    Copeau

    r Epaisseur de copeau non dform

    Arrte de coupe

    Face de dpouille Outil

    -10-

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -11-

    dcompos en deux composantes Ft parallle la face de coupe et Fn normale cette

    face (fig.1.5).

    On admet que la face de coupe est le sige d'un frottement de Coulomb. Appelons

    l'angle tel quen

    tF

    Ftg = . L'angle d'orientation du plan de cisaillement par rapport Vc

    peut tre dtermin partir des valeurs des angles et (angle de coupe (fig.1.5)) en faisant

    l'hypothse que le plan de cisaillement est inclin de telle faon que la puissance totale

    dissipe plastiquement soit minimale. Si l'on admet que le matriau est parfaitement

    plastique [6] :

    24 = (1.1)

    Les valeurs des efforts de coupe et de l'paisseur du copeau peuvent tre calcules

    partir de cette relation. Merchant a pu observer que la relation liant l'angle et les deux

    angles et tait rarement vrifie. Il perfectionna son modle en admettant, d'aprs la

    thorie de Caquot-Bridgman que la rsistance au cisaillement dans le plan de cisaillement

    est une fonction linaire de la contrainte normale au plan de cisaillement. Il en dduisit une

    relation plus gnrale liant l'angle et les angles et :

    Fig. 1.5 : Dcomposition de l'effort de coupe.

    Cas du modle de Merchant [6]

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -12-

    2 = C (1.2)

    Avec C constante suprieure ou gale /4.

    D'autres auteurs ont cherch amliorer ce modle. Albrecht [6] a par exemple

    dvelopp une thorie de refoulement pour rendre compte des variations apparentes du

    rapport Ft/Fn en attirant l'attention sur les perturbations dues au rayon de dfaut d'acuit

    d'arte r.

    1.3.2 Approche mcanique

    LEE et SCHAFFER furent les premiers en 1951 tenter de tirer parti des mthodes

    de champ de lignes de glissement. KUDO proposa ultrieurement une modlisation qui tient

    compte en particulier de la courbure du copeau. Plus tard, DEWHUQST a propos un

    modle qui rend assez bien compte des effets connus des paramtres gomtriques de

    loutil [6].

    En dpit des progrs accomplis, il apparat que les modles purement mcaniques ne

    peuvent donner que des informations imprcises. Des progrs ne peuvent tre obtenus qu'en

    intgrant les effets thermiques.

    1.3.3 Approche thermo-mcanique

    OXLEY fut le premier introduire avec HASTINGS et MATHEW une description

    minutieuse de la loi de comportement du matriau, qui tenait compte des vitesses effectives

    de dformation et des tempratures estimes dans les zones de cisaillement I et II de la figure

    1.6 [6] Plus rcemment GILORMINI [7] a dvelopp deux modles intressants. Le premier

    utilise les performances des mthodes des diffrences finies pour tracer des cartes dtailles

    des champs de vitesses, des tempratures et des dformations dans la racine du copeau. La

    connaissance des lois d'endommagement d'un matriau au voisinage des inclusions, dans les

    conditions thermiques et mcaniques de la coupe est sans doute encore trop imprcise pour

    que le modle de GILORMINI permette de tracer des cartes d'endommagement et de rendre

    compte de l'influence des paramtres mtallurgiques du matriau usin tel que les inclusions

    de sulfures de manganse. Un tel modle n'est pas en outre totalement prdictif car il ncessite la connaissance pralable de la gomtrie du copeau. Le second modle de

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -13-

    GILORMINI est une modlisation thermomcanique, base sur un champ de vitesses

    raliste dans les deux zones de dformations I et II de la fig.1.6. Dans le cas des vitesses

    conventionnelles, l'observation de la formation du copeau permet de mettre en vidence

    deux zones de frottement.

    Zone de cisaillement primaire (I) : Elle stend de larte de coupe jusqu la surface

    libre du copeau. Cette zone de cisaillement fait un angle (angle de cisaillement) avec la

    surface usine. Les trs fortes dformations trs grande vitesse subies par le matriau dans

    cette zone engendrent un auto-chauffement de la matire trs violent.

    Zone de cisaillement secondaire (II) : Elle est aussi appele zone dcrouissage du

    copeau, et se situe linterface de loutil et du copeau. Cest une zone de frottement et de

    glissement qui est responsable entre autres de lusure en cratre sur loutil et dune forte

    gnration de chaleur.

    Zone tertiaire (III) ou dcrouissage de la pice : Cest une zone de frottement et de

    glissement entre la face de dpouille et la surface usine. Elle donne naissance lusure en

    dpouille sur loutil et engendre des modifications microstructurales en surface de la pice

    (crouissage, contraintes rsiduelles) dues au frottement et la gnration de chaleur qui en

    dcoule.

    Ltude de la formation du copeau est assez dlicate car la zone dtude est trs petite

    (quelques dizaines de millimtres carrs) et les phnomnes thermomcaniques sont

    extrmement violents, et localiss sur des bandes de quelques micromtres. B. Changeux [8]

    Zone dcrouissage

    Figure 1.6 : Zone dformation lors de formation du copeau

    Plan de cisaillement

    Outil

    Mouvement de loutil

    I II

    III Pice

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -14-

    estime le taux de dformation dans la zone primaire (I) suprieur 2 units avec des vitesses

    de dformation de 104 106 s-1. Il estime plus de 400 C lchauffement dans cette zone

    d au cisaillement intense de la matire et plus de 800 C lchauffement de la zone

    secondaire (II) d au frottement outil / copeau. Ces conditions extrmes rendent donc les

    mesures extrmement dlicates raliser et beaucoup dinconnues persistent.

    Pendant la coupe, seules des valeurs macroscopiques comme les trois composantes

    de leffort de coupe, la vitesse de coupe, la profondeur de passe et lavance par tour peuvent

    tre mesures assez simplement. Laspect thermique peut tre estim en mesurant le flux

    thermique dans loutil [9-10] et en utilisant des camras thermiques proches infrarouges qui

    permettent destimer le champ de temprature de la zone de coupe [11-13].

    Ltude de lintgrit de surface de la pice (rugosit, contraintes rsiduelles,

    crouissage), du copeau (morphologie, transformations microstructurales) et loutil

    (usure, dpt mtallique) donne des indications supplmentaires sur la formation du

    copeau.

    1.4 Classement des types de copeau

    La formation de copeau est le phnomne d'enlvement de matire de la pice sous

    forme de ruban ou de petits segments, appel copeau. Selon la classification de Komanduri

    et Brown [14] il existe trois types de copeau :

    1. Copeau continu (fig.1.7.a) sans arte rapporte : produit en usinant les matriaux

    ductiles (Acier, Aluminium) avec des grandes vitesses de coupe, l'usinage dans ce cas est

    considr comme rgulier.

    2. Copeau continu avec une arte de coupe rapporte (fig.1.7.b) : est gnralement

    produit par l'usinage des matriaux trs ductiles et des vitesses de coupe moyennes. Ce

    type de copeau est trs important, car il se produit avec plusieurs matriaux et diffrentes

    conditions de coupe.

    3. Copeau discontinu (fig.1.7.c) : produit au cours de l'usinage des matriaux

    fragiles (fontes, bronze, etc.) et par l'usinage faibles vitesses de coupe.

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -15-

    1.5 Mcanisme de Formation de la nouvelle surface :

    Lors de l'usinage une partie du matriau dform dans la zone primaire (fig.1.8)

    s'coule sous l'arte de l'outil vers la surface de la pice, aprs sparation du copeau, et forme

    la couche superficielle influence. La dformation dans cette couche et les caractristiques

    microstructurales rsultantes dcoulent du comportement plastique du matriau dans la zone

    primaire. L'coulement plastique dans des champs de dformation et de tempratures

    complexes l'intrieure de cette zone, peut tre considr comme une combinaison de deux

    types de dformation. Une dformation progressive en compression et en cisaillement

    l'approche de l'outil suivie d'un cisaillement intense de ce matriau dform. La propagation

    de bandes de cisaillement du bec de l'outil vers la surface libre conduit la sparation du

    copeau.

    Plusieurs tudes ont abord l'usure des outils. Cependant peu de travaux effectus

    ont port sur l'aspect de la formation de la surface usine. Les observations exprimentales

    ont montr que la formation de la surface est troitement relie au type de formation de

    copeau [15]. Selon Gillibrand [4] la formation de la surface avec sa topographie dpend de

    la gomtrie de l'outil, des conditions de coupe, et du matriau travaill. La surface usine

    est affecte par la nature de contact l'interface pice-outil, de la prsence de l'arte

    rapporte et de l'utilisation d'un outil aigu ou us.

    Figure 1.7 : Type de copeau [4]

    (c) Copeau discontinu. (b) Copeau continu avec arte rapporte.

    (a) Copeau continu sans arte rapporte.

    Arte rapporte

    Zone de cisaillement primaire Outil

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -16-

    1.5.1 Gnration de l'arte rapporte

    Parmi les multiples facteurs de coupe, certains peuvent prendre une importance de

    premier plan ou devenir secondaire pour la gnration de l'tat de surface. Les niveaux

    d'influence dpendent cependant des conditions de travail.

    L'arte rapporte est un amas de matriau adhr la face de copeau de l'outil sous

    des conditions de temprature et de pression leve qui favorisent l'adhsion de petites

    couches du mtal travaill sur l'outil. Les caractristiques de l'arte de coupe rapporte sont

    indiques sur la figure 1.9 o :

    s : est la saillie de l'arte rapporte,

    Figure 1.9 : Caractristiques gomtriques de larte rapporte [4]

    Arte rapporte

    Copeau

    Dbris de larte rapporte imprims sur la surface

    Outil Matriau dbauche

    Pice

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -17-

    h : la hauteur de larte de coupe,

    et e sont respectivement l'angle de coupe nominal et l'angle de coupe effectif.

    Cette arte est forme quand les frottements outil - copeau augmentent un degr o

    la force ncessaire pour le glissement est plus grande que la rsistance au cisaillement du

    matriau de copeau. II en rsulte des fissures au dessous de la face en dpouille et auprs de

    la zone en contact outil - copeau (fig.1.10).

    Ernst et Martelotti [4] ont conduit des travaux sur les facteurs influant la taille de

    l'arte rapporte, et ont trouv que cette taille diminue avec :

    la diminution de l'paisseur de copeau,

    l'augmentation de l'angle de coupe,

    l'augmentation de la finesse de l'outil,

    la lubrification.

    Ce ci a t confirm rcemment par le travail de Schwerd [4] sur l'influence de la

    vitesse de coupe sur la formation de l'arte rapporte. Par ailleurs, les observations de

    Williams et Rollason [16] ont montr qu'une augmentation de la vitesse de coupe, de la

    vitesse d'avance et de la temprature de la pice entranent une diminution de la taille de

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -18-

    l'arte rapporte. Pour les aciers bas et moyen carbone, il se trouve que l'arte rapporte

    disparaisse une vitesse comprise entre 90 et 100 m/min. [4].

    Une des consquences de la formation de l'arte rapporte est qu'elle assume le rle

    de l'arte coupante de l'outil (fig.1.9). Elle modifie non seulement le processus de

    formation de copeau, mais aussi, ce qui est le plus important, elle change les dimensions de

    la pice et modifie les caractristiques topographiques, mcaniques et mtallurgiques de la

    surface usine. D'une manire plus prcise, l'arte rapporte peut changer l'angle effectif de

    coupe et le rayon de courbure du bec de l'outil autour duquel le matriau, s'coule.

    Cependant les frottements entre le matriau coul et le matriau stationnaire et la

    temprature augmentent avec l'augmentation de la taille de l'arte rapporte.

    D'autre part sous des conditions de coupe favorables la formation de l'arte

    rapporte, cette arte se dveloppe en taille et devient instable jusqu' la rupture, une partie

    s'adhre la surface usine et sajoute aux asprits de la surface usine. Par consquent

    cette instabilit produit une surface trs rugueuse.

    1.5.2 Gnration de chaleur

    En coupe, la chaleur est gnre par le travail fait par la dformation plastique dans la

    zone de cisaillement et par les frottements de glissement l'interface copeau-outil et entre la

    surface usine et la face de dpouille de l'outil. La distribution de la temprature joue un rle

    important au cours de la coupe dans son influence sur les proprits des pices usines et sur

    le bon droulement du processus d'usinage.

    Plusieurs chercheurs ont essay de dterminer la distribution de la temprature au

    cours de la coupe [17,18] en utilisant les modles de cisaillement plan et par lments finis.

    Il existe aussi d'autres essais exprimentaux ou thoriques de mesure de la

    temprature au voisinage de la rgion de coupe. Des travaux rcents de recherche dans ce

    domaine ont utilis la mthode des lments finis (fig.1.11) pour illustrer la distribution de la

    temprature dans le systme outil - copeau - pice.

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -19-

    Les travaux raliss par TAY et al [17], et MURARKA [18] permettent de conclure

    que :

    a) Il y a une augmentation rapide de la temprature, le long de la face de dpouille pour

    une courte distance suivie par une diminution rgulire (fig.1.11).

    b) La temprature dans la zone primaire de dformation augmente le long des sections

    parallles jusqu' la face de coupe partir des frontires du matriau non - cisaill, jusqu'aux

    frontires du copeau.

    Figure 1.11 : Distribution de la temprature [17]

    (a) Vitesse de coupe V= 29,6 m/min (b) Vitesse de coupe V= 78,6 m/min

    (c) Vitesse de coupe V= 155,4 m/min

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -20-

    c) Les autres tempratures augmentent avec l'augmentation de la vitesse de coupe

    et /ou lavance (fig. 1.12 et 1.13).

    d) Il existe un angle de coupe optimal pour une temprature minimale [4].

    Le travail fourni pour crer un copeau est intgralement transform en chaleur ;

    celle-ci est vacue par :

    le copeau ;

    Outil - carbure

    Distance de l'arrte tranchante le long de la face de dpouille

    Figure 1.13 Effet de lavance sur la temprature de la face de dpouille [4]

    Outil - carbure

    Distance de l'arrte tranchante le long de la face de dpouille

  • Chapitre 1 Usinage des matriaux

    . . -21-

    la pice ;

    l'outil et le porte outil.

    1.6 Conclusions

    Le processus de formation de copeau est un phnomne difficile comprendre dans

    lequel les phnomnes physiques de base sont peu peu intgrs afin d'amliorer la qualit

    des prvisions. Cependant la prvision du processus de dformation partir des proprits

    du matriau et des conditions de coupe est complique. En effet, le calcul thorique des

    forces d'usinage et de l'angle de cisaillement ncessite par exemple la connaissance des

    conditions des dformations. Les dformations sont affectes par la distribution de la

    temprature durant l'usinage qui peut affecter la ductilit du matriau travaill. La

    temprature est un paramtre important qui affecte le processus d'usinage et l'tat de la

    surface usine. Comme consquence des dformations produites durant l'usinage, il devient

    important de considrer la surface usine, non seulement comme un problme

    topographique (profile gomtrique), mais aussi comme lensemble de toutes les altrations

    produites par l'usinage dans la couche superficielle. Le concept unifiant la topographie et ces

    altrations dans la couche superficielle est connu par le terme Intgrit de surface, et sera

    discut dans le prochain chapitre.

  • Chapitre 2

    Caractristiques des surfaces usines

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 23 -

    2.1 Introduction

    A premire vue, la gnration d'une surface usine fait intervenir autant la forme

    que les traces laisses par le tranchant au contact de la pice pendant leur mouvement

    relatif. La coupe donne lieu bon nombre de phnomnes [15], tels que :

    a) Les dformations lastiques et plastiques du matriau travaill.

    b) Lapparition dans certaines conditions, d'une arte rapporte, dpt naissant

    sur l'arte tranchante de l'outil;

    c) Les effets dynamiques qui se manifestent par des vibrations du systme

    mcanique (machine-outil / outil / pice) de frottements entre le copeau et la face de

    dgagement ainsi qu'au contact entre facette d'usure sur plan de dpouille et pice usine.

    L'existence de ces phnomnes justifie l'affirmation que les traces (dfauts

    microgomtriques) laisses par l'outil coupant lors de son passage sur la surface qu'il

    engendre diffreront du tout au tout de celles que l'on aurait pu attendre en limitant

    l'analyse la seule action des parties tranchantes de l'outil.

    Les principales altrations dans la couche superficielle [1,19-21] concernent :

    La texture de la surface (rugosit et dfauts de la surface),

    Le changement de la duret superficielle (micro duret),

    La distribution des contraintes rsiduelles,

    La dformation plastique,

    Les transformations de phase,

    Les causes principales de ces altrations sont [15]:

    Les hautes tempratures ainsi que les grands gradients de temprature,

    La dformation plastique,

    Les ractions chimiques et l'absorption chimique dans la nouvelle surface.

    En conclusion, les proprits physico-mcaniques de la couche superficielle ainsi

    que son aspect microgomtrique (rugosit) mettent en jeu l'action concomitante de tous

    les facteurs voqus prcdemment

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 24 -

    2.2. Texture de la surface

    2.2.1 Dfinitions des critres de rugosit (norme NF E 05-015)

    Considrons une coupe locale de la surface usine perpendiculairement aux

    sillons d'usinage (fig.2.1) :

    Soit OX la ligne moyenne telle que :

    00

    = dxyl

    (2.1)

    O l est la longueur de palpage.

    Les principaux critres de rugosit sont dfinis par rapport cette ligne moyenne,

    soit

    Rugosit moyenne arithmtique Ra dite C.L.A.(Center Line Average), Ra

    reprsente la moyenne arithmtique des carts (en valeur absolue) par rapport ox :

    dxyl

    Rl

    a =0

    1 (2.2)

    Rugosit moyenne quadratique Rq. dite R.M.S (Root Mean Square). Ce critre

    (non normalis en France) reprsente l'cart moyen quadratique par rapport ox :

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 25 -

    21

    0

    21

    = dxylR

    l

    q (2.3)

    Rugosit max. Rmax , elle reprsente la hauteur maximale des irrgularits du

    profil de rugosit

    Rugosit totale Rt reprsente l'cart total entre le point le plus haut et le point le

    plus bas du profil, relev sur toute la longueur de palpage l.

    Rugosit RZ, reprsente la rugosit totale moyenne.

    =5

    151

    iz ZR (2.4) (Voir fig.2.1)

    2.3. Dfauts de la surface usine

    2.3.1 cailles

    La formation des cailles est gnralement attribue la prsence d'une arte

    rapporte instable [15]. Lors de la croissance d'une arte rapporte instable une fissure se

    forme dans la Zone secondaire et une autre sous le bec de loutil [4]. Cette dernire se

    propage sous la surface dans la zone primaire de dformations. Lors de la disparition de

    l'arte de coupe rapporte, un dbris contenant cette fissure est laisse la surface de la

    pice et forme les cailles. Selon [22] ces fissures pntrent d'autant plus profondment

    que l'angle d'attaque est petit et la profondeur de coupe est grande. Le nombre et la taille

    d'caille sont trs sensibles la formation de l'arte rapporte. Dans le cas du tournage de

    l'alliage d'Aluminium 7075 l'tat tremp avec une avance par tour de 0,18 mm un grand

    nombre d'cailles de grandes tailles sont formes cause de la grande taille de l'arte

    rapporte. Le tournage du mme alliage mais l'tat revenu prsente une diminution de

    la taille de l'arte rapporte et de ce fait entrane la formation d'cailles de petite taille. La

    prsence d'cailles de grande dimension prsente des modifications locales de rugosit

    lies la formation temporaire de l'arte rapporte [23].

    2.3.2 Cavits

    La formation des cavits est lie un arrachement de matire conscutif la

    propagation de fissures en dessous du niveau de la surface dans la rgion du bec de

    l'outil, en prsence d'une arte rapporte. Les cavits sont moins bien dfinies et souvent

    plus grandes lors de la formation de l'arte rapporte. Il a t propos [22] que la

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 26 -

    propagation des fissures entre le constituant et la matrice conduit des instabilits locales

    de l'arte rapporte. La propagation de fissures dans la rgion du bec de l'outil est une des

    caractristiques de la formation de l'arte rapporte instable pour les matriaux contenant

    des phases secondaires. L'arrachement du constituant, combin avec dformation des

    cailles cre les cavits moins bien dfinies, ou uniquement des cailles.

    2.3.3 Microstries

    Les dfauts de petites tailles sont principalement dus aux interactions entre l'arte

    de coupe et la surface. Le labourage de la surface par des asprits sur l'arte de coupe

    forme des stries bien dfinies. Les stries moins dfinies sont provoques par des micros

    artes de coupe rapportes. Les plus grandes asprits peuvent former des micro-

    copeaux qui restent parfois attachs la surface, au bout de la strie. Des fragments qui se

    dtachent de l'outil ont t observs la fin d'une strie, derrire le copeau qu'ils ont cre

    [19].

    2.3.4 Microfissures

    La prsence de microfissures dans les surfaces usines on t mis en vidence par

    un certain nombre de chercheurs [4]. Les microfissures sont produites lorsque le matriau

    subit des dformations svres et causent des concentrations de microcontraintes qui

    conduisent des fractures locales. La microfissuration est le processus qui passe par deux

    tapes. La naissance et coalescence des microfissures voisines.

    Les microfissures sont produites durant l'usinage de plusieurs matriaux et avec une

    varit de conditions de coupe. Les microfissures ont ts observes dans les zones de

    dformation dans le cas de l'usinage d'un matriau deux phases. La densit des

    microfissures est grande au voisinage de l'arte de coupe et diminue vers la surface libre

    de copeau

    L'usinage en prsence de l'arte rapporte produit des microfissures dans la zone

    secondaire de dformation entre l'arte rapporte stationnaire et le copeau [4]. Il est

    possible cependant qu'un certain nombre de microfissures naissent dans la zone primaire

    de dformation passent en dessous de loutil et apparaissent dans la surface usine.

    Gillibrand [4] a propose notamment que les microfissures sont associs avec les cavits

    dans les surfaces usines et quelles se forment aux joints entre les phases dures et

    ductiles du matriau comme par exemple entre la ferrite et la perlite dans les aciers.

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 27 -

    Il est donc vident que les microfissures existent dans les surfaces usines et

    quelles influencent les proprits fonctionnelles des pices usines. A la preuve que

    plusieurs tudes ont traite le problme de fatigue en prsence de courtes fissures [4].

    Cependant les microfissures sont considres comme un paramtre important de

    lintgrit de surface et qui ont attir beaucoup dattention [4].

    En conclusion de ce qui prcde il semble que les cailles, les cavits et les

    microfissures sont dues la formation d'un copeau discontinu ou d'une arte rapporte.

    La prsence de ces dfauts est directement lie au processus de formation de copeau donc

    aux paramtres de coupe.

    2.4. Facteurs conditionnant ltat des surfaces tournes

    On peut classer les facteurs conditionnant l'tat des surfaces usines daprs

    Enache [15] comme suit:

    a) Proprits physico-mcaniques du matriau travaill;

    b) Paramtres dfinissant le rgime de coupe;

    c) Paramtres gomtriques lis la partie active de l'outil;

    d) Microgomtrie et usure de l'outil;

    e) Fluides de refroidissement et de lubrification

    2.4.1 Effet du rgime de coupe sur la rugosit

    Pour des vitesses de coupe importantes (fig.2.2), le profil de la pice est trs

    voisin de lenveloppe thorique de loutil. Ltat de surface samliore avec une

    augmentation de la vitesse de coupe. On observe une vitesse optimale pour divers

    couples outils matriau travaill [15]. Pour des vitesses infrieures, il se produit des

    adhrences de copeaux, le dtachement se produit de faon irrgulire et diminue la

    qualit de la surface obtenue [24].

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 28 -

    Tous les rapports dexpriences montrent que ltat de la surface usin samliore

    avec la vitesse de coupe. La figure 2.3 illustre ces observations pour diffrentes vitesses

    de coupe. Les tats pratiques mesurs sont trs voisins de la rugosit thorique calcule

    avec la gomtrie de loutil et de lavance [1,6].

    Figure 2.2 : Variation des hauteurs d'asprits avec la vitesse de coupe pour . des aciers diverses teneurs en carbone. [15] Aciers teneur moyenne en carbone: 1) ferrite et perlite lamellaire;

    2) perlite globulaire; 3) sorbite trs dure; 4) troostite et sorbite. Aciers faible teneur en carbone; 5) ferrite et perlite lamellaire 6) ferrite et perlite globulaire.

    Aciers forte teneur en carbone; 7) perlite lamellaire; 8) perlite . . globulaire.

    Fig2.3 Microgomtrie de surface pour diverses vitesses de coupe [6]

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 29 -

    2.4.1.1 Influence des fluides rfrigrants et lubrifiants

    Linfluence des fluides rfrigrants se traduit par une diminution de la rugosit

    de la surface accompagne dun crouissage supplmentaire des couches superficielles

    du matriau travaill.

    La figure 2.4 nous mne formuler les commentaires suivants:

    1. Il ya une diminution nette de la rugosit par rapport l'usinage sec , tout

    particulirement avec des fluides activs maintenant les dformations plastiques des

    niveaux relativement bas, rduisant les efforts de coupe et de frottement, la temprature,

    et prvenant la formation du copeau adhrent [15].

    2. Si l'on cre une atmosphre neutre autour de la coupe (azote liquide,

    hydrogne gazeux), la rugosit augmente [15]. Ce mode de travail favorise

    considrablement la formation du copeau adhrent. Des tats de surface remarquables ont

    t obtenus par refroidissement l'oxygne; la formation de pellicules d'oxydes

    mtalliques entrane une diminution spectaculaire des frottements et des dformations

    plastiques. C'est par cet artifice que l'on obtient les rugosits les plus faibles.

    2.4.1.2 Effet de l'paisseur de copeau non dform sur la rugosit

    L'paisseur de copeau non dform ou encore appel avance par tour influe

    considrablement sur la rugosit des surfaces usines avec de faible vitesse de coupe

    comme il est montr sur la figure 2.5 Dans cette figure la rugosit augmente avec

    Fig. 2.4 : Influence des fluides rfrigrants et lubrifiants sur les tats de surfaces usines en tournage [15] 1) air, 2) huile lgre ; 3) ptrole sulfon ; 4) ptrole lampant; 5) ttrachlorure de carbone CCl .6) hydrogne ; 7) azote ; 8) oxygne

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 30 -

    l'augmentation de l'paisseur de copeau non dform. Alors que, relative l'influence de

    l'paisseur du coupeau non dform sur la rugosit montrent que la rugosit parallle la

    direction de la coupe diminue avec l'augmentation de l'paisseur de copeau non dform,

    alors que la rugosit normale varie dans l'autre sens [4]. Ls rsultats exprimentaux [25]

    permettent de considrer que la profondeur de passe n'influe pas sur la rugosit et que le

    taux et la profondeur d'crouissage ne changent pas avec la profondeur de coupe.

    2.4.1.3 Effet de l'angle de coupe sur la rugosit

    La rugosit des surfaces usines diminue avec l'augmentation de l'angle de coupe

    durant l'usinage du cuivre [4]. Les dfauts de surface sont les plus nombreux pour

    l'alliage d'Aluminium 7075 usin aprs revenu avec un angle de coupe +30, mais la

    rugosit est infrieure celle obtenue avec un angle de coupe -8 et il est de mme pour

    Vitesse de coupe

    Fig. 2.5 Effet de lpaisseur de copeau non dform sur la rugosit [4]

    Vitesse de coupe Vitesse de coupe

    paisseur du copeau non dform

    Rugo

    sit

    de

    la s

    urfa

    ce

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 31 -

    l'alliage d'Aluminium 2024 [23]. Les rsultats prsents sur la figure 2.6 montrent la

    diminution de la rugosit avec l'augmentation de l'angle de coupe, cet effet est beaucoup

    plus accentu pour des grandes valeurs de l'paisseur du copeau non dform.

    2.4.2 Influence du rgime de coupe sur lcrouissage superficiel

    Dans la plus part des oprations d'usinage, la couche superficielle de la pice

    subit des changements de la duret, mesure par les techniques de duret (e.g. Vickers,

    Knoop) [26].

    En fonction des conditions de coupe et de la matire d'oeuvre, la couche

    superficielle est soit durcie soit adoucie [4]. Le durcissement est associ avec les

    dformations plastiques et/ou les transformations de phase [15]. L'adoucissement est

    associ avec les transformations de phase et/ou avec le vieillissement.

    Plusieurs travaux [1,15] ont tudi l'influence de l'usinage sur le phnomne

    d'crouissage, ces travaux ont montrs que la duret maximale se trouve la surface et

    diminue rapidement avec la profondeur au dessous de la surface. L'crouissage de la

    surface durant l'usinage augmente avec:

    L'augmentation de l'paisseur de copeau non dform,

    La diminution de l'angle de coupe,

    La diminution de l'angle de dpouille,

    L'augmentation de l'usure de la surface de dpouille,

    La diminution de la vitesse de coupe.

    Sur la figure 2.7 apparat la profondeur d'crouissage h, en fonction de la vitesse

    de coupe, pour l'acier XC45 travaill sec avec une avance transversale f = 0,05 mm/tr,

    avec un outil dont la pente effective de coupe = 10 et l'angle de dpouille = 8.

    Fig. 2.7 : Profondeur crouie en fonction de la vitesse de coupe dun acier XC45 [15].

    10

    h [m]

    20 30 40 50 60 70 Vc [m/min] 100

    150

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 32 -

    La figure 2.8 traduit la variation d'paisseur crouie en fonction du rgime de coupe

    pour le tournage de l'acier XC45.

    La profondeur de passe (ou profondeur de coupe) est de peu d'importance pour

    l'crouissage de la surface usine; celui-ci est engendr par la pointe de l'outil, et l'on

    conoit qu'augmenter la profondeur de passe ne puisse agir directement sur lui.

    2.4.3 Influence des conditions de coupe sur les contraintes rsiduelles

    Les contraintes rsiduelles sont les contraintes qui existent en l'absence de toute

    sollicitation extrieure. Les processus de fabrication sont souvent l'origine de ces

    contraintes rsiduelles Les effets de ces contraintes sont souvent prjudiciables. Leurs

    effets peuvent s'ajouter ou se retrancher aux contraintes de service selon leur amplitude,

    leur signe et leur rpartition.

    Elles constituent donc un facteur d'endommagement et de mauvaise tenue des pices la

    fatigue.

    Une augmentation des vitesses peut conduire la production de contraintes

    rsiduelles importantes en liaison avec les contraintes mcaniques leves gnres sur

    les surfaces lors de l'usinage. De plus, les forces transversales augmentent avec l'usure

    des outils. Les tempratures associes au frottement augmentent en provoquant une

    contrainte de traction rsiduelle au voisinage de la surface de la pice usine et des

    contraintes de compression dans la zone la plus profonde de la surface.

    La figure 2.9 confirme l'effet de l'usure sur les contraintes rsiduelles dans la

    surface usine en tournage dun acier allie. On observe ici une couche trempe de 20 m

    pour un outil vierge et de 30 m pour un outil ayant subi une usure correspondante

    Fig. 2.8 : Variation du taux et de la profondeur d'crouissage superficiel en fonction de l'avance du tournage dun l'acier XC 45 [15].

    50 0,05 0,1 0,2 f[mm/tr]

    100

    150

    200

    h [m]

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 33 -

    lusure en dpouille de loutil de VB=0.2mm.

    2.4.4 Effet des phnomnes dynamiques

    Lusinage des mtaux est accompagn dans certain cas par de violentes vibrations

    entre loutil et la pice usine sous laction des efforts de coupe. Ce phnomne de

    vibrations sappelle aussi le broutement ou le broutage qui est d en grande partie

    plusieurs paramtres intervenant et interfrant, tels que les paramtres de coupe lors dun

    usinage. Ceci entrane un mauvais tat de surface des pices usines et une rduction de

    la dure de vie de loutil de coupe.

    Les vibrations du systme pice outil machine [27], dgradent la qualit de la

    surface usine, acclrent lusure de loutil et des organes de la machine et provoquent

    ainsi une altration des conditions dusinage nominales. Un broutement important

    diminue la productivit et parfois rend impossible lopration dusinage sur une machine-

    outil. Il en existe deux types, les vibrations forces et les vibrations auto-excites.

    Les vibrations forces apparaissent sous leffet des perturbations priodiques

    provoques par [27]:

    La variation des forces qui sexercent sur le systme qui sont dues la coupe

    discontinue tel que le tournage dun arbre rainur longitudinalement par exemple ou la

    coupe avec une surpaisseur variable ;

    Fig.2.9 : Contraintes rsiduelles en sous couches [6]

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 34 -

    Les forces centrifuges dinertie dues au manque dquilibre des masses en

    rotation (mandrin, poulies, etc.) ;

    Les chocs dus aux incidents ou la prcision insuffisante des surfaces actives

    des pices, des organes de transmission (usure des pices dun mcanisme, manque de

    prcision des engrenages), aux engagements et aux changements de rgimes brusques,

    etc.

    Les vibrations auto-excites sont un phnomne plus complexe et bien plus

    frquent dans la coupe des mtaux. Ses causes essentielles sont :

    La variation de la force de frottement du copeau glissant sur la face de coupe

    de loutil ;

    Lcrouissage irrgulier de la couche enleve suivant son paisseur ;

    Les variations dimensionnelles de larte rapporte qui modifient en cours

    dusinage, langle de coupe et la section du copeau.

    Lamplitude des vibrations auto-excites varie en fonction de la duret du

    matriau usin, du rgime de coupe, de la gomtrie de loutil de coupe et de la rigidit

    du systme pice outil machine. Les vibrations sont plus importantes pour les aciers

    tnacit leve que pour les fontes. Elles diminuent avec laugmentation de la duret et

    de la rsistance la traction (Rt) du mtal usin ; et augmentent avec un allongement et

    une striction plus importants. Ds que la vitesse de coupe croit au tournage, les vibrations

    augmentent dabord puis diminuent. La valeur de la vitesse de coupe qui dfinit la

    diminution des vibrations est dautant plus faible que lavance est grande. Dans le cas du

    chariotage, les vibrations augmentent avec la profondeur de passe. Les vibrations sont

    moins influences par lavance que par la vitesse et la profondeur de passe.

    Laugmentation de lavance diminue les vibrations (lorsque lavance est plus faible que

    la profondeur). Lorsque lavance est plus grande que la profondeur, les vibrations

    augmentent avec laugmentation de lavance [27].

    2.4.5 Effet des dformations plastiques

    Les surfaces usines sont gnralement dformes plastiquement. La couche

    dforme dans la surface usine est la partie du matriau de la pice qui traverse la zone

    primaire de cisaillement o elle fait l'objet des contraintes rsultantes des efforts

    appliqus par la face de dpouille de l'outil. Un modle simple de dformation de la

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 35 -

    surface est montr sur la figure 2.10

    Dans cette figure, la zone primaire de dformation pntre en dessous du bec de

    l'outil une profondeur "Z". L'arte tranchante est faonne avec un rayon d'arrondi, une

    partie du copeau non dform est dforme plastiquement dans la zone primaire de

    dformation et presse par une quantit "X" au dessous de l'outil ajoute la

    compression plastique de la couche superficielle. Aprs le passage de l'outil, la surface

    revient la hauteur y . Selon cette description, la dformation plastique et la

    profondeur de la couche dforme dpendent des contraintes dans la zone primaire et des

    facteurs qui les influent.

    Jeelani et Ramalkrishnan [4] ont trouv dans le cas de l'usinage d'un alliage de

    titane et d'un acier maraging que le degr de dformation et sa profondeur augmentent

    avec :

    L'augmentation de la vitesse de coupe, sans dformation faible vitesse de

    coupe,

    L'augmentation de l'usure de l'outil toutes les vitesses de coupe,

    L'usinage sans lubrification.

  • Chapitre 2 Caractristiques des surfaces usines

    . . - 36 -

    2.4.6 Effet des changements de phase

    Les changements de phase jouent un rle important dans l'laboration d'un tat de

    surface. C'est ainsi que lorsqu'on usine un mtal, l'chauffement des couches

    superficielles a non seulement comme consquence leurs variations volumiques mais

    aussi une volution qualitative par changement de phase, elle aussi source de variations

    de volume. Un chauffement intense de l'acier tremp tel qu'il apparatra aux grandes

    vitesses de coupe peut oprer des revenus et des trempes locales successives conscutives

    la transmission rapide de la chaleur gnre au voisinage de la coupe en l'absence de

    refroidissement ou, au contraire, par l'vacuation brutale de celle-ci au contact du liquide

    rfrigrant. Dans la mesure o la temprature dans la couche superficielle varie de faon

    continue selon la profondeur, il en rsulte que sous l'effet des diverses tempratures de

    revenu les couches de mtal prennent des structures diffrentes et avec elles des

    proprits mcaniques et des densits diffrentes lorsqu'on pntre de la surface vers le

    coeur de la pice

    En conclusion, les changements de phase survenant pendant la coupe au gr de

    l'chauffement des couches superficielles donnent naissance des structures diffrentes

    de la structure initiale du mtal, ce qui se traduit par des variations de proprits

    mcaniques et de volume suivant la profondeur. Ces variations de volume ne sont

    uniformment rparties ni suivant la longueur, ni suivant la profondeur, et l'on assiste

    des dformations lasto- plastiques conduisant une augmentation ou une diminution

    des dnivellations de contraintes existant sur la surface usine.

  • Chapitre 3

    Etude de la fatigue

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 38 -

    3.1 Introduction

    Les proprits fonctionnelles en fatigue des pices usines sont trs sensibles aux

    caractristiques de leurs surfaces et de leur couche superficielle influence [28,29], car les

    fissures s'initient gnralement dans cette surface [22,30]. Les paramtres de l'intgrit de

    surface telle que la rugosit et les dfauts de la surface, la microstructure et les proprits

    physico mcaniques de la couche superficielle influence, dterminent principalement

    l'amorage et le dbut de la propagation des fissures. Le choix des paramtres de coupe et de

    l'tat mtallurgique du matriau lors de l'usinage est par consquent important, vu qu'il

    dtermine le processus de formation de copeau dterminant la qualit de la surface.

    La gomtrie de la surface usine et ses altrations sont importantes pour l'amorage

    des fissures. Field [29] a remarqu que peu de travaux ont t effectus pour dterminer la

    relation entre la rugosit et le comportement en fatigue [4,22,30] Toutefois une rugosit

    importante est prjudiciable, de plus l'influence des contraintes rsiduelles la surface et dans

    la couche superficielle jouent un rle important dans le comportement en fatigue. Ceci peut

    tre montr par les mesures des contraintes rsiduelles ou la texture et la duret ne sont pas

    changes [26].

    La prsence des microfissures dans la surface usine joue un rle important dans la

    rupture des pices, vu que le stade d'amorage est dj consomm, ces microfissures

    constituent un stade avanc de l'amorage de la rupture. De plus la prsence des microfissures

    est observe aprs l'usinage de plusieurs matriaux avec une large gamme de conditions de

    coupe [4].

    Les travaux mens par Gaceb [4] ont permis d'tablir l'influence des conditions de

    coupe et l'tat mtallurgique sur la formation des microfissures durant l'usinage d'un acier

    spcial moyen carbone (similaire l'acier tudi). tant donn que la prsence des

    microfissures indique que le stade d'amorage est dj partiellement ou totalement

    consomm, la prsence des microfissures reprsente probablement le paramtre qui a le plus

    d'influence sur la rsistance la fatigue des pices usines.

    Le comportement relatif en fatigue des pices dpendra principalement [22] de :

    1. La texture de la surface,

    2. La mtallurgie de la couche superficielle,

    3. Les contraintes rsiduelles.

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 39 -

    Il est toutefois difficile de sparer l'influence de la rugosit [22,30], des modifications

    microstructurales et des contraintes rsiduelles du point de vue influence sur le comportement

    en fatigue [22,29,30]. Il est propos que la prsence des microfissures et les contraintes

    rsiduelles dans la surface usine jouent le rle d'influence le plus important sur la rsistance

    la fatigue des pices [4]. L'endommagement de toute pice mcanique durant son

    chargement normal sous l'action d'efforts cycliques est la cause d'un phnomne de fatigue.

    3.2. Aperu sur le phnomne de fatigue

    3.2.1 L'endommagement par fatigue

    Lorsquun matriau est soumis une contrainte qui varie priodiquement avec le

    temps, la rupture peut se produire pour une valeur de la contrainte maximale bien infrieure

    la charge de rupture (Rr) et mme la limite lastique (Re). Une telle rupture est dite de

    fatigue. Elle peut tre dfinie comme tant la dtrioration irrversible des proprits des

    matriaux avec l'application de cycles d'efforts variables dans le temps [31]. L'importance

    technologique de la fatigue est considrable, du fait que de trs nombreuses pices sont

    soumises en service des sollicitations cycliques. En gnral la fatigue se produit sans

    dformation plastique d'ensemble mais avec une dformation trs localise d'abord autour des

    dfauts, au fond d'une entaille ou en surface ensuite l'extrmit de la fissure une fois initie.

    La nature de la fissuration est progressive, la rupture finale apparat brutalement,

    raison pour laquelle l'estimation de la dure de vie d'une pice est importante, dterminant la

    capacit de rsistance la fatigue des pices appele endurance .

    3.2.2 Mcanisme de rupture par fatigue

    L'endommagement par fatigue men jusqu' la ruine de la pice comprend trois stades

    d'importance variant suivant les matriaux et le systme de sollicitation [31] ces stades sont

    Le stade de germination ou priode d'amorage,

    Le stade de propagation,

    Le stade de rupture brutale.

    3.2.2.1 Stade d'amorage

    II est considr comme tant le stade le plus important engendrant la dure de vie des

    pices mcaniques. Dans de nombreux cas mcaniques ce stade peut occuper jusqu' 90% de

    la dure de vie totale d'une pice [31]. Dans une pice (prouvette) lisse soumise une charge

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 40 -

    cyclique, il a t observ en surface des glissements localiss qui donnent naissance des

    microlanguettes appeles extrusions ainsi qu' des intrusions. Ces intrusions constituent en

    fait de petites microfissures qui peuvent ventuellement se dvelopper. En gnrale

    l'amorage des fissures rsulte de la concentration de contrainte par suite des irrgularits de

    surface et des inclusions (fig. 3.1c), de la dcohsion de l'interface matrice-inclusion, de la

    rupture de l'inclusion elle mme et de la jonction de joint de grains (fig. 3.1b). L'amorage des

    fissures se produit principalement la surface car :

    Les dislocations sont plus mobiles la surface qu' coeur (fig.3.1a),

    La surface est soumise l'agressivit de l'environnement,

    Les dfauts des traitements thermiques sont situs la surface (tapures de trempe,

    etc...).

    D'autre part le va et vient des dislocations dans les bandes persistantes produit des

    dfauts ponctuels qui provoquent du glissement en surface sous forme d'extrusions et

    d'intrusions.

    Obstacle

    Microfissure

    Microfissure

    Prcipit ou inclusion

    Figure 3.1 Amorage des fissures par fatigue [31]

    (a) Formation d'une microfissure par empilement de

    dislocations coins contre un obstacle.

    b) Formation d'une microfissure lorsque un ou plusieurs

    systmes de glissement interagissent avec des joints de grains.

    c) Formation d'une microfissure lorsque un ou plusieurs systmes

    de glissement interagissent avec des prcipits et des inclusions.

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 41 -

    3.2.2.2 Stade de propagation

    Les microfissures formes pourront avancer graduellement au cours de chaque cycle,

    en s'ouvrant durant l'augmentation de la charge et en se renfermant partiellement par

    dformation plastique. Ce stade de progression de la fissure est compos de deux stades [31].

    Dans le premier stade (stade I), les microfissures formes sont dans le prolongement

    d'une intrusion, soit dans un creux le long d'une ligne de glissement. Selon le matriau, elles

    progressent en restant dans le plan de glissement initial o elles sont apparues jusqu' une

    certaine profondeur qui dpend surtout de la dimension des grains. Au del, on observe un

    changement de direction et lors du franchissement des joints de grains, les fissures quittent le

    plan de scission maximale pour le plan de contrainte normale de tension maximale (stade II).

    Ceci est la consquence du changement de rgime des contraintes, car le rapport des

    contraintes de cisaillement aux contraintes de traction diminue progressivement de la

    priphrie vers le centre par suite de la prsence des contraintes rsiduelles. Dans le premier

    stade, la fissure progresse par scission selon un plan inclin de 45 par rapport l'axe de

    traction, par contre dans le deuxime stade, la fissure progresse en premire approximation

    selon une section droite (pour une sollicitation axiale [31]). Seules, quelques fissures

    atteignent le premier stade de propagation. En effet ds qu'une fissure dpasse suffisamment

    ses voisines elle empche leur progression, du fait de la diminution de la concentration de

    contrainte qu'elle provoque derrire elle.

    3.2.2.3 Rupture brutale

    Lorsque la longueur de fissure atteint une dimension critique, la rupture de la pice

    intervient. Les deux parties de la cassure correspondant au stade II se distinguent bien par les

    techniques visuelles d'examination.

    Stade I Stade II

    Figure 3.2 schma de propagation de la fissure

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 42 -

    3.2.3 Diagramme d'endurance

    La dure de vie d'une pice (ou d'une prouvette) est caractrise par le nombre de

    cycles la rupture (N). La courbe de Whler reprsente la variation des contraintes

    dynamiques en fonction du nombre de cycles la rupture, on porte en ordonnes les

    contraintes appliques et en abscisse le logarithme dcimal du nombre moyen de cycles la

    rupture. Cette courbe divise le plan de coordonnes en trois domaines comme il est montr sur

    la figure 3.3, o le domaine de fatigue oligocyclique, sous fortes contraintes o les ruptures

    surviennent aprs un petit nombre de cycles Nr105 cycles, le domaine d'endurance limite,

    les rupture surviennent systmatiquement aprs un nombre de cycles croissant avec la

    rduction de la contrainte 105 Nr

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 43 -

    3.3 volution structurale en cours de la fatigue

    Depuis quelques annes les possibilits de la microscopie lectronique ont permis des

    progrs considrables dans la connaissance des phnomnes lis la fatigue des mtaux. Ce

    fut d'abord la possibilit d'observer par microscope optique les surfaces de rupture. Plus

    rcemment c'est l'examen au microscope lectronique transmission de lame mince qui a

    permis de suivre l'arrangement des dislocations dans le mtal. Finalement l'apparition du

    microscope lectronique balayage a offert de nouvelle facilit pour l'examen direct des

    surfaces.

    3.4 Modifications superficielles en cours de fatigue

    Les premiers cycles de dformation conduisent la formation superficielle des bandes

    de glissement, c'est une dformation unidirectionnelle au dbut. Si on poursuit la dformation

    des bandes de glissement se multiplient et se renforcent, entranant la naissance des bandes

    persistantes qui ne disparaissent pas par un simple polissage. Ces bandes persistantes sont

    caractristiques de la fatigue et leur rle est essentiel dans l'endommagement par fatigue des

    mtaux. En effet, au dbut de la dformation, les bandes de glissement qui sont apparus

    peuvent tre limins par polissage. A l'intrieur d'une bande de glissement, il existe des

    lignes de glissement correspondantes au plan de glissement du cristal considr. Si l'nergie

    de dfaut d'empilement du mtal n'est pas trop faible on remarque l'existence de nombreux

    glissements dvis qui permettent de rattraper la diffrence d'orientation entre la bande et les

    lignes de glissement. Le faible durcissement qui accompagne les dformations cycliques

    permet aux bandes de glissement de traverser les joints des grains. Dans le cas o les lignes de

    glissement sont trs rectilignes, leurs directions ne concident pas avec celles des bandes de

    glissement, d'o la formation des microfissures le long des lignes de glissement. Lorsque la

    dformation plastique se fait par maclage, des microreliefs et des bosses apparaissent ce qui

    conduit la formation des microfissures.

    3.5. Facteurs influant la fatigue

    L'endurance des pices est la rsultante de plusieurs phnomnes comptitifs,

    l'existence des concentrations locales de contrainte entrane des dformations plastiques, par

    consquent entranant aussi l'endommagement progressif du matriau, et de l'irrversibilit

    des glissements au cours des cycles successifs [31].

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 44 -

    3.5.1 Facteurs mtallurgiques

    La ralisation d'une pice passe toujours par des oprations mcaniques et thermiques,

    qui agissent sur l'tat mtallurgique du matriau utilis donc sur ses caractristiques

    mcaniques d'utilisation. On peut ranger dans cette catgorie tous les facteurs lis la nature

    du mtal qui constitue la pice (composition chimique et structure mtallographique), son

    laboration et sa mise en forme (inclusions, dfauts, fibrage), ainsi qu'aux traitements

    thermiques (structure mtallographique et caractristiques mcaniques subis par le matriau

    de la pice). Afin d'valuer l'influence des diffrentes oprations mcaniques et thermiques,

    qui conduisent l'obtention des caractristiques mcaniques finales de la pice sur la tenue en

    fatigue, on peut raisonner partir de la microstructure de la pice finale. Les dfauts ventuels

    qui peuvent apparatre lors de ces oprations sont susceptibles de se retrouver au stade final,

    et de jouer sur la tenue en fatigue.

    3.5.1.1 Facteurs lis l'laboration de l'acier

    Le type d'laboration utilis pour la fabrication de l'acier influe sur la tenue en fatigue

    du matriau, dans la mesure o il agit sur sa proprit inclusionnaire. Les mthodes

    sidrurgiques les plus fines permettent l'obtention des faibles taux d'inclusion, telles que les

    refusions sous vide ou sous laitier conduisent des hautes caractristiques de fatigue

    (Tab. 3.1).

    Tableau 3.1 Influence de certaines mthodes sidrurgiques sur l'endurance de l'acier

    16CD17 [32].

    Acier 16CD17 Rm (N/mm2) Endurance (N/mm2) Avant refusions 1450 482 Refondu sous laitier 1450 549 Refondu sous vide 1450 629

    3.5.1.2 Facteurs lis la mise en forme

    Lors de la mise en forme froid, l'acier subit un crouissage qui a pour effet de

    morceler les grains et d'engendrer des sous-grains invisibles au microscope optique, ce qui

    conduit gnralement une augmentation de la charge de rupture et des caractristiques de

    fatigue. La comparaison des rapports d'endurance de l'tat recuit l'tat tir permet de

    dduire que l'augmentation de la tenue en fatigue est lie l'augmentation de la charge la

    rupture [32].

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 45 -

    3.5.1.3. Facteurs lis aux traitements thermiques

    Les traitements thermiques permettent la ralisation de la structure finale demande.

    Pour les basses valeurs de rsistance la fatigue, on pourra utiliser des aciers l'tat recuit.

    Alors que pour des grandes valeurs un traitement de durcissement devient ncessaire [32].

    a) Acier l'tat recuit

    Dans cet tat de traitement, l'acier sera, selon sa composition, soit ferritique (pour les

    basses teneurs en carbone), soit ferrito-perlitique ou encore compos de perlite et de cmentite

    (pour les teneurs leves en carbone). Lorsque ces divers constituants sont mlangs, le

    rapport d'endurance est intermdiaire celui des constituants isols [33]. Ainsi globalement la

    tenue en fatigue croit avec l'augmentation de la teneur en carbone des aciers. De plus la forme

    de la perlite a galement une influence importante sur l'endurance. Pour des niveaux de

    rsistance gaux, la perlite sous forme globulaire sera prfrable la perlite lamellaire

    [32,34].

    b) Acier l'tat tremp - revenu

    Dans cet tat, la tenue en fatigue sur des prouvettes lisses est sensiblement

    proportionnelle la rsistance la rupture (fig. 3.4).

    La trempe permet d'obtenir une structure martensitique, et de provoquer des

    contraintes internes importantes. La trempe augmente la densit des dfauts dans le rseau, ce

    qui rend le mouvement des dislocations difficile. Ces derniers ds qu'elles s'amorcent, elles

    deviennent instables, car la martensite et l'austnite rsiduelle sont trs fragiles, ce qui

    diminue lendurance [34].

    Le revenu des tempratures entre (150 350 C) permet d'obtenir une meilleure

    rsistance la rupture ce qui diminue la susceptibilit la rupture fragile, cela est due aux

    prcipitations des carbures partir de la martensite qui s'appauvrit en carbone.

    Le revenu des tempratures entre (350 400 C) permet de supprimer la cohsion

    carbure-martensite et l'isolation de ces derniers ce qui provoque une chute de la charge la

    rupture d'o la diminution de la limite dendurance [34].

    Le revenu des tempratures entre (500 680 C) permet l'obtention d'une structure

    de sorbite granulaire [34], qui est caractrise par la coalescence entre les carbures qui est due

    aux migrations d'atomes de carbone provoquant un grossissement des particules de cmentite

    d'o la chute de la charge la rupture et de la tenue en fatigue [34].

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 46 -

    Pour l'tat tremp, on doit tenir compte de la structure de l'acier aprs trempe et en

    particulier la prsence de constituants autres que la martensite revenue tels que la perlite,

    par exemple, provenant d'une trempe incomplte ou austnite rsiduelle qui peut abaisser le

    rapport d'endurance dans des proportions importantes [32].

    Les contraintes introduites par l'opration de traitement thermique jouent galement un

    rle important, en particulier sur les structures martensitiques non revenues ou revenues

    basses tempratures [32]

    3.5.2 Influence de la charge la rupture en traction Rr

    Il est connu que la limite d'endurance d'un acier peut tre apprcie partir des

    caractristiques mcaniques simples telles que la charge la rupture Rr. Un nombre important

    que prsentent les diagrammes reliant la limite d'endurance la charge la rupture (fig.3.4).

    Lors de la mise en forme froid (tirage, emboutissage, etc.), l'acier subit un

    crouissage ce qui conduit gnralement une augmentation de la charge de rupture et des

    caractristiques de fatigue. Les travaux cits dans [32] montrent quavec une barre dacier

    XC45 recuit puis tire donne une limite de fatigue suprieure celle dune barre en acier

    recuit seulement. La comparaison des rapports d'endurance (0.50 l'tat recuit et 0.48

    l'tat tir) permet l'auteur de dduire que l'augmentation de la tenue en fatigue est surtout

    lie l'augmentation de la charge de rupture de l'acier.

    Charge la rupture

    C

    ontra

    inte

    max

    imal

    e ap

    pliq

    ue

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 47 -

    3.5.3 Facteurs gomtriques

    L'influence de ces facteurs gomtriques intervient travers les dimensions des pices

    (effet d'chelle) et surtout leurs formes (effet d'entaille). Les origines de l'effet d'chelle sont

    principalement mcaniques, statistiques ou encore technologiques. Pour tenir compte de l'effet

    d'chelle, il faut introduire le coefficient Kc rapport de la limite d'endurance D. Le

    coefficient Kc peut tre dtermin exprimentalement pour un matriau et une dimension

    donne avec Do mesure sur prouvette de faible diamtre (5 < d < 10 mm) [32].

    L'effet d'entaille peut avoir trois origines, mtallurgiques, mcaniques, de service (se

    forme durant l'utilisation). Cet effet est caractris par le coefficient q appel indice de

    sensibilit l'entaille, tel que q = (Kf - 1)/(Kt - 1). Les coefficients Kf et Kt sont successivement le rapport d'endurance sur prouvette lisse et sur prouvette entaille. Ce

    coefficient est toujours infrieur Kt par suite de l'adaptation du mtal et tend vers Kt pour les

    aciers trs haute limite d'lasticit. Il en rsulte qu'une augmentation de rsistance statique

    n'entrane pas ncessairement une augmentation de rsistance la fatigue en prsence

    dentaille [31].

    3.5.4 Influence du mode de sollicitation

    Le mode de sollicitation peut avoir une influence notable sur l'endurance des

    matriaux. Toutefois, en ce qui concerne les ordres de grandeur, il est communment admis

    que le coefficient de passage d'un mode de sollicitation un autre (coefficient 1 pour la

    flexion rotative) coefficient sont comme [32] suit :

    D (en flexion plane) = 1.05. D (en flexion rotative),

    D (en traction compression) = 0.9. D (en flexion rotative),

    D (en torsion) = 0.6. D (en flexion rotative).

    La limite de fatigue d'un matriau peut tre donc approche par l'introduction d'un

    coefficient de passage, et l'cart type est gal au dixime de cette dernire [32].

    3.5.5 Influence de la frquence des sollicitations

    A cause des frottements internes, il y a un retard de dformation sur la contrainte.

    Dons le cas des contraintes priodiques, on voit apparatre alors un cycle d'hystrsis de la

    dformation en fonction de la contrainte dont l'inclinaison varie avec la frquence des cycles.

    Si cette frquence augmente, la dformation plastique maximale atteinte pour une mme

  • Chapitre3 Fatigue

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    amplitude de la contrainte diminue et, par suite l'endurance se trouve augmente.

    Inversement, si la frquence diminue, il en sera de mme pour lendurance [31]. Toutefois

    dans l'absence des chauffements ou de corrosion, la frquence des vibrations des machines

    classiques (5 100Hz) n'a aucune influence sur la limite d'endurance des aciers [32].

    3.5.6 Influence de la temprature

    La limite d'lasticit et la rsistance la traction diminuant lorsque la temprature

    s'lve, il en sera de mme de la limite d'endurance qui leur est proportionnelle.

    L'augmentation des possibilits d'coulement avec l'lvation de temprature cependant

    diminue la sensibilit l'effet d'entaille. C'est pourquoi pour tudier l'effet de l'lvation de la

    temprature sur la limite d'endurance partir des courbes de variation de la rsistance la

    traction ou de duret, il faut tenir compte des vitesses de dformation [31]. A plus haute

    temprature, il peut y avoir fluage, ce qui entrane une baisse rapide de la limite apparente

    dendurance [31,32].

    3.5.7 Influence de la corrosion

    La corrosion peut intervenir de plusieurs manires, En absence de sollicitation

    dynamique, la corrosion peut entraner la fissuration progressive des pices charges

    statiquement dans un milieu agressif (corrosion sous contrainte). En prsence des efforts

    dynamiques sur la pice qui a subi une corrosion pralable, il s'agit dans ce cas de rupture par

    fatigue seulement. Lorsque la fatigue et la corrosion agissent simultanment ceci conduit la

    plus forte diminution de la rsistance la fatigue des matriaux mtalliques [32].

    3.5.8 Facteurs lis la nature des surfaces usines

    3.5.8.1 Influence de la rugosit

    La rugosit est qualifie par son grand effet sur les proprits fonctionnelles, telles que

    la rsistance la fatigue, la fatigue de contact, frottement et l'usure. Les rsultats trouvs par

    plusieurs chercheurs [35] dans le cas du tournage montrent que l'augmentation notable de la

    fatigue en flexion alterne peut tre obtenue par l'usinage de la pice prchauffe une

    temprature de 300 C. Cette amlioration de la limite en fatigue en flexion est attribue la

    diminution de la rugosit.

    Les essais conduits au CETIM [31] ont montr qu' partir d'une certaine valeur de

    rugosit on pourrait obtenir des rductions anormalement leves de la limite d'endurance. Il

    convient d'liminer les rugosits de grande importance dans les pices sollicites.

  • Chapitre3 Fatigue

    . . - 49 -

    Il est toutefois admissible que les rugosits obtenues par rectification sont plus faibles

    que celles obtenues par tournage (1,3 1,8 m) [35], alors que l'endurance des pices

    tournes une temprature suprieure 300 C est plus grande que dans le cas de rectification

    douce, dans ce cas c'est le procd d'usinage qui porte la grande influence par rapport la

    rugosit. D'autre part une comparaison entre les rectifications conventionnelle et abusive de

    l'acier XC48 qui possde pratiquement les mmes rugosits (1,3m et 1,8m respectivement)

    ont cependant leur limite de fatigue aussi respectivement 461 MN/m2 et 196 MN/m2 [4]. En

    plus les rsistances la fatigue obtenues par la rectification douce et svre sont

    respectivement 883 MN/m2 et 196 MN/m2, alors que la rugosit est inverse (1.0m et 0.35

    m) [4]. De plus Dupont [22] a constat que l'endurance des pices en alliage d'Aluminium

    7075 et 2024 usines dans l'tat prrevenu avec un angle de coupe +30 est plus leve que

    celle obtenue dans le mme tat, mais avec un angle de coupe -8 malgr que l'tat de surface

    dans le premier cas est moins bon. Cette constatation permet de conclure qu'il est plus correct

    de ne pas sparer l'influence de la rugosit sur la tenue en fatigue des autres facteurs tels que

    les contraintes rsiduelles, la gomtrie de l'outil et l'existence des concentrateurs de

    contrainte telles que les cailles, les cavits et surtout les microfissures.

    3.5.8.2 Influence des contraintes rsiduelles sur la tenue en fatigue

    L'influence des contraintes rsiduelles sur la tenue en fatigue a t l'objet de