République algérienne démocratique et populaire الديمقراطية الشعبيةالجمهورية الجزائرية Ministère de l’enseignement supérieur et de la وزارة التعليم العالي والبحث العلمي recherche scientifique جامعة المسيلة Université de M’sila التكنولوجياكلية Faculté de Technologie Département de Génie Mécanique MEMOIRE DE FIN D’ETUDE En vue de l’obtention du diplôme de : MASTER En Génie Mécanique Option : Génie des Matériaux Présenté par : BOUDJELLAL.T& HACHEROUF .A Thème Amélioration Des Caractéristiques Mécaniques D'un Aciers par des Différents Techniques DEVANT LE JURY: Président : ………………………... Université M’sila Examinateurs : ………………………... Université M’sila Encadreur: Dr F .HAMRIT Université M’sila ANNEE UNIVERSITAIRE2019/2020 Remerciements Nous tenons tout d'abord à remercier Dieu que nous a donné La santé la volonté et le courage d'accomplir ce travail. Nos vifs remerciements sont destinés à Mr HAMRIT FAREH, Notre promoteur, pour son aide, ces critiques constructives Ses explications et suggestions pertinentes et pour la qualité de ses Orientations tout au long de travail et pour avoir apporté tant de soins à la réalisation de ce mémoire. nous ne pouvons pas oublier e présenter notre gratitude à nos parents pour les efforts inlassables qu'ils ne cessent de déployer pour nous. SOMMAIRE Remerciements SOMMAIRE Liste des figures Liste de tableaux Introduction Générale CHAPTER I: Caractérisation des Aciers I. Généralités sur les aciers .......................................................................................................3 I.1. Introduction.........................................................................................................................3 I.2. Les aciers .............................................................................................................................3 I.2.1. Les différentes familles d’aciers .................................................................................... 5 I.2.1.1. Aciers non alliés à usage général .................................................................................. 5 I.2.1.2. Aciers spéciaux (type C) ................................................................................................ 5 I.2.1.3. Aciers patin ables ........................................................................................................... 5 I.2.1.4. Aciers inoxydables ......................................................................................................... 5 I.2.2. Aciers ordinaires sans traitement thermique ................................................................. 6 I.2.2.1. Aciers faiblement alliés.................................................................................................. 6 I.2.2.2. Aciers fortement alliés ................................................................................................... 6 I.3. Influence des éléments d'alliages .......................................................................................7 I.4. Désignation des aciers.........................................................................................................8 I.5. Diagramme d’équilibre d’acier .........................................................................................9 I.6. Composition des aciers ..................................................................................................... 10 I.7. Les différentes phases de l’acier ...................................................................................... 10 I.7.1. La ferrite (F) ................................................................................................................ 10 I.7.2. Austénite...................................................................................................................... 11 I.7.3. La cémentite (C) .......................................................................................................... 11 I.7.4. La perlite (P)................................................................................................................ 11 I.7.5. Troostite (T) ................................................................................................................ 12 I.7.6. Bainite (B) ................................................................................................................... 12 I.7.7. Sorbite (S).................................................................................................................... 12 I.7.8. Martensite .................................................................................................................... 12 I.7 .9. Lédéburite I (LI ) .......................................................................................................... 13 I.7.10. Ledeburite II (LII) ..................................................................................................... 13 Chapiter II: Les traitements thermiques II. Les traitements thermiques ............................................................................................................................... 14 II.1. Generalists ....................................................................................................................... 14 II.1.2. Règle Générale ........................................................................................................... 14 II.1.3. Chauffage ................................................................................................................... 15 II.2. Les traitements thermiques classiques .......................................................................... 15 II.2 .1. Les recuits ................................................................................................................. 16 II.2.2.Trempe ........................................................................................................................ 18 II.2.3.Revenue....................................................................................................................... 19 II.3. Traitements de surface ................................................................................................... 19 II.3.1.Trempe superficielle des aciers ................................................................................... 20 II.3.2. Traitements thermochimiques .................................................................................... 21 II.3.2.1.Traitements thermochimiques avec élément léger ...................................................... 22 II.3.2 .1.1. La cémentation ................................................................................................... 22 II.3.2 .1.2. Cémentation solide ............................................................................................... 23 II.3.2 .1 .3 . Cémentation liquide.............................................................................................. 23 II.3.2 .1.4. Cémentation gazeuse .............................................................................................. 23 II.3.2 .1.5. Cémentation ionique.............................................................................................. 24 II.3.2.2. Carbonitruration (750- 880 °C) .................................................................................. 25 II.3.2.3. La boruration .............................................................................................................. 25 II.3.2.4. La nitruration .............................................................................................................. 26 II.3.2.9. Siliciuration ............................................................................................................... 29 II.3.3. Traitements thermochimiques avec deux éléments légers ...................................... 30 II.3.3.1. La cyanuration ............................................................................................................ 30 II.3.3.2.Traitements thermochimiques avec élément lourd ...................................................... 30 II.3.3.2.1. Métallisation par cémentation ................................................................................. 30 CHAPITRE III : Les essais mécaniques pour Caractérisation des matériaux III.1 Introduction .................................................................................................................... 32 III.2.LesEssaisdetraction ........................................................................................................ 32 III.2.1.Introduction................................................................................................................ 32 III.2.2. principe de L'essai de traction................................................................................... 32 III.2.3 Les éprouvettes .......................................................................................................... 32 III.2.4 courbe de traction conventionnelle ............................................................................ 32 III.2.5 Mesure des contraintes .............................................................................................. 33 III.2.6 Courbe de traction rationnelle ................................................................................... 35 III.3. Essai de résilience .......................................................................................................... 36 III.3.1 Introduction................................................................................................................ 36 III.3.2. I Définition du principe de essai ............................................................................... 36 III.3.3 Les éprouvettes pour la résilience.............................................................................. 37 III.3.3.1 Eprouvette CHARPY U ............................................................................................. 37 III.3.3.2 Eprouvette CHARPY V ............................................................................................. 37 III.3.4 Températures pour les essai de résilience.................................................................. 38 CHAPTER IV : Partie expérimental IV .1Introduction ..................................................................................................................... 39 IV.1 1er article ......................................................................................................................... 39 IV.1.1 Matériaux utilisé (Al2 O3) ......................................................................................... 39 IV.1.2 condition travail ......................................................................................................... 39 IV.1.3Moyens et appareils utilisé ......................................................................................... 40 IV.1.4 projecteur de profil .................................................................................................... 40 IV.1.5 Duromètre .................................................................................................................. 41 IV.1.6 Observations métallographiques ............................................................................... 41 IV.1.7. Préparation des échantillons ..................................................................................... 42 IV.1.8. résultats ..................................................................................................................... 42 IV1.9. Etude de l'acier a revêtement alumine ou céramique composite ............................... 43 IV.2.. 2eme Article ................................................................................................................... 44 IV.2.1. introduction............................................................................................................... 44 IV2.2. Les Matériaux de base ............................................................................................... 44 IV.2.3. Les poudres a projetés .............................................................................................. 44 IV.2.4 Les substrat ................................................................................................................ 45 IV.2.5. la projection plasma.................................................................................................. 45 IV.2.6.paramètres de projection............................................................................................ 45 IV.2.7 Résultats .................................................................................................................... 47 IV .3…3eme Article ................................................................................................................. 48 IV .3.1 Protocoles expérimentaux ........................................................................................ 50 IV .3.2 Descriptif des échantillons ....................................................................................... 50 IV .3.3 Protocole d’analyse .................................................................................................. 51 IV .3.4 Caractérisation de la rigidité diélectrique ................................................................. 51 IV .3.5 Sollicitations thermiques par tests de vieillissement ................................................ 51 IV .3.6 Sollicitations thermiques par tests de chocs thermiques .......................................... 51 IV .3.7 Résultats et discussion .............................................................................................. 52 IV .3.8. Résultats et discussion Vieillissement ..................................................................... 52 IV .3.9.Chocs thermiques à la flamme oxyacétylénique ...................................................... 53 IV .3.10.Conclusion ................................................................................................................. 53 IV .4…. 4emeArticle ............................................................................................................ 54 IV .4.1.INTRODUCTION .................................................................................................... 54 IV .4.2. Matériaux et technique expérimentales .................................................................. 54 IV .4.3. Essai de fatigue thermique....................................................................................... 55 IV .4.4. Essai de fatigue thermique....................................................................................... 56 IV .4.5. Essai d'érosion ......................................................................................................... 57 IV .4.6.Caractérisation des revêtements ............................................................................... 57 IV .4.7. Résultat Et Discussion ............................................................................................. 58 IV .4.8.Microstructure des revêtements................................................................................ 60 IV .4.9.Dureté du revêtement ............................................................................................... 63 IV .4.10.Comportement tribologiques .................................................................................. 64 IV .4.11.Résultats des tests d’érosion ................................................................................... 67 IV .4.12.Comportement à la Fatigue thermique ................................................................... 72 IV .4.13. revêtement utilisant (APS) .................................................................................... 76 Conclusion générale ................................................................................................................. 77 Références bibliographiques Liste des figures CHAPITRE I : Figure. I.1: Filières d’élaboration d’acier ................................................................................ 3 Figure.I.2 : Diagramme d’équilibre d’acier ............................................................................ 10 CHAPITRE II : Figure. II.1 : cycle des traitements thermiques ....................................................................... 14 Figure. II.2 : les étapes de chauffage pour les aciers .............................................................. 15 Figure. II.3: cycle thermique du Recuit complet .................................................................... 16 Figure. II4: structure d’un acier AISI H11 à l’état recuit ....................................................... 17 Figure. II.5: cycle thermique de la trempe et revenu .............................................................. 18 Figure. II.6: trempe superficielle par induction ...................................................................... 21 Figure. II.7: chauffage par flamme ......................................................................................... 21 Figure. II.8 : four des traitements thermochimiques............................................................... 22 Figure. II.9: procédé de cémentation ...................................................................................... 22 Figure. II.10: Austénite résiduelle dans une couche cémentée et durcie par trempe............. 24 Figure. II.11: Micrographie d’une couche cémentée par plasma pendant 2 h d’un acier...... 24 Figure. II.12: Couche de boruration sur l’engrenage ............................................................. 26 Figure. II.13 Couche nitruration ............................................................................................ 27 Figure. II.14 Le diagramme fer -Azote .................................................................................. 27 Figure. II.14 : couche de chromisation ................................................................................... 31 CHAPITRE III : Figure III.1: courbe de traction conventionnelle .................................................................... 33 Figure III.2. La courbe de traction rationnelle........................................................................ 35 Figure III.3 : Eprouvette CHARPY U ................................................................................. 37 Figure II.4: Eprouvette de CHARPY V.................................................................................. 37 CHAPITRE IV Figure IV.1: Schémas des échantillons utilisés ...................................................................... 39 Figure IV.2 : Schéma d'échantillon utilisé ............................................................................. 40 Figure IV.3 : duromètre ZHU 2.5 ........................................................................................... 41 Figure IV.4: Binoculaire ......................................................................................................... 42 Figure IV.5: microscopes métallographique Axiovert40MAT............................................... 42 Figure IV.6: photo par Optique de la poudre de projection Al2 O3 ........................................ 48 Figure IV.7 : photo par microscope optique micrographique d'un revêtement d' Al2O3 ........ 49 Figure IV.8 : Schéma du procédé ............................................................................................ 4 Figure IV.9 : Paramètres de projection plasma des revêtements............................................ 56 Figure IV.10 : Vue générale du banc d’essai de fatigue thermique........................................ 56 Figure IV/11: Vue simplifiée du dispositif d’érosion ............................................................. 57 Figure IV.12 : Vue générale du banc d’essai de fatigue thermique. Spectres de diffraction X de la poudre et des différents revêtements. (a) NA, (b)NA5T (c) NA5W, (d) NA5S ............. 59 Figure IV.13 : Microstructures des revêtements. (a)NA, (b) NA5T, (c)NA5W, (d) NA5S, (e) NA5M, (f) NA5T avec une couche de nickel .......................................................................... 61 Figure IV.14 : Images typique du revêtement. (a) avant analyse par image J . (b) avec analyse par imageJ ................................................................................................................... 61 Figure IV.15 : Distribution de la surface des pores en fonction de leur pourcentage. (a) revêtement NA, (b) revêtement NA5T, (c) revêtement NA5W, (d) revêtement NA5S .......... 63 Figure IV.16 : Histogrammes comparatifs illustrant la microdureté et la porosité des revêtements .............................................................................................................................. 36 Figure IV.17 : Evolution du coefficient de frottement des revêtements en fonction de la distance de glissement.............................................................................................................. 56 Figure IV.18 : Etat de surface des revêtements après essais de frottements: (a), (b) : NA; (c) : NA5M;(d) : NA5W ;(e) : NA5T ;(f) : NA5S........................................................................... 76 Figure IV.19 : Évolution de la perte de masse des revêtements en fonction de la masse de sable projeté ............................................................................................................................. 86 Figure IV.20 : Histogrammes comparatifs du taux d’érosion des revêtements...................... 69 Figure IV.21 : Photographies des revêtements érodés. (a) NA, (b) NA5T, (c) NA5W, (d) NA5S, (e) NA5M ..................................................................................................................... 70 Figure IV.22 : Morphologie de la surface du revêtement NA5T après érosion . (a) bord de la surface ...................................................................................................................................... 27 Figure IV.23 : Histogramme comparatif montrant le comportement en fatigue thermique des revêtements réalisés sur les aciers inox (316L), Z60CDV7 et le 55NCDV7 .......................... 73 Figure IV.24: Vue générale des revêtements après l'essai de fatigue thermique.a : Revêtement NA5 sur différents substrats b: Revêtements étudiés réalisé sur substrat Z60CDV7................................................................................................................................. 74 Figure IV.25 : Spectre de diffraction X des revêtements étudiés après fatigue thermique. (a) NA, (b)NA5T, (c)NA5W, (d)NA5S, (e)NA5M. ..................................................................... 75 Liste de tableaux Chapitre I : Tableau.I.1 : pourcentage des éléments................................................................................. 05 Tableau I .2 : éléments d’additions et leurs effets sur l’acier ................................................ 07 Tableau. I.3: pourcentage des éléments d’additions.............................................................. 08 - Chapitre IV: Tableau. IV .1 : dureté des échantillons ................................................................................ 43 Tableau .IV .2: résultats expérimentaux................................................................................ 44 Tableau. IV.3: analyse du substrat par la fluorescence des rayons X ................................... 45 Tableau. IV.4: paramètres de projection de Al2 O3 ............................................................... 46 Tableau .IV.5: Les différents dépôts Al2 O3.......................................................................... 47 Tableau .IV. 6 : Tension moyenne de claquage de dépôts d’alumine brut de projection et imprégnés par une solution au phosphate d’alumini............................................................... 52 Tableau. IV .7. Compositions en poids des revêtements ....................................................... 55 Tableau. IV. 8.Paramètres de projection plasma des revêtements ........................................ 55 Tableau. IV. 9. Teneur en oxydes des différents revêtements............................................... 62 Tableau. IV. 10. Rugosité Ra avant et après le test d’érosion ............................................... 71 I. Introduction Générale Aujourd'hui l'acier a pris une place prépondérante dans notre vie. En effet, Grace à son bas cout de fabrication, ses bonnes propriétés mécaniques et thermiques, Ce matériau se trouve sous différentes formes et tailles, pour des applications nombreuses et variées : bâtiments, industrie automobile, appareils électriques … Cependant, l'acier est sujet au problème de corrosion. Cette dernière est un processus électrochimique , pendant lequel l'oxydation présent sous forme de vapeur ou de gouttes d'eau va consommer le fer par l'oxydation. Donc, la technique de projection thermique est une méthode de recouvrement de surface permettant d'obtenir des dépôts en mettant en œuvre un large spectre de procédés (projection à la flamme, à la torche au plasma de soufflé à l'arc, etc.) et de matériaux (métalliques, alliages céramiques, polymères et matériaux composites, etc.). Il permet de réaliser des revêtements de plusieurs micromètres à quelques millimètres. Ce procédé consiste à chauffer et à fondre la matière à déposer, présentée sous forme de poudre à canon ou de fil, grâce à une source à haute énergi e (électrique ou à combustion). Le transfert de particules fondues ou semi - fondues se fait à l 'aide d' un gaz, le plus souvent chaud. La poudre à canon fondue et accélérée vient s'effondrer puis se solidifier à la surface du substrat pour former un dépôt. Dans le premier chapitre un descriptif sur la connaissance de la structure et du comportement des aciers au cours de leur utilisation reste impérative. Et dans le deuxième chapitre réserve pour les traitements thermiques agissent au niveau microstructural des métaux tel que une définition, les recuits, la trempe et les revenues. Et pour le troisième chapitre consacre a les essais mécaniques qui sont des expériences dont le but est de caractériser les lois de comportement des Dans le quatrième. Nous avons fait une étude comparative sur certaines des recherches qu'il a effectuées, Nous avons fait une étude comp arative sur certaines des recherches qu'il a effectuées, C'est parce que nous ne pouvons pas faire le p artie expérimentale, Compte tenu des conditions de santé que traverse notre pays. CHAPTER I Caractérisation des Aciers Chapitre I : Généralité sur les aciers I. Généralités sur les aciers I.1. Introduction : Depuis longtemps, l’acier joue un rôle très important dans la vie quotidienne des hommes. Il est utilisé dans plusieurs domaines. Il est à l’origine de toutes les révolutions scientifiques et industrielles. Donc la connaissance de la structure et du comportement des aciers au cours de leur utilisation reste impérative. Les matières premières de fer, le fer s’y trouve essentiellement combiné sous forme d’oxyde ferrique fe203ou oxyde magnétique fe304 (magnétite). Le fer en sera donc extrait par réduction les matières premières de la charge doivent : - Répondre à des contraintes chimiques : - Analyse précise des lits de fusion. Présente une granulométrie compatible un bon écoulement dans la cuve du haut fourneau. - Présenté des caractéristique physico-chimiques bien déterminées : réductibilité, résistance aux chocs thermiques, résistance à l’écrasement. I.2. Les aciers : Les aciers sont essentiellement alliages de fer et de carbone, qui contiennent en certains autres éléments introduit en faibles quantités au moment de leur élaboration (dans les aciers alliés, on introduit par exemple des éléments d’alliage dans le but de modifier les propretés de l’acier). Figure. I.1: Filières d’élaboration d’acier. 3 Chapitre I : Généralité sur les aciers Dans tous les cas, le tenseur en carbone des aciers est inférieur à 1,5 %.En fonction du nombre d’éléments d’alliage ajoutés fer et de leur teneur, les aciers présentent un très grand nombre de nuances différentes. On peut classer les divers types d’alliage à base de fer selon leur composition chimique ou selon leur domaine d’utilisation, la production de l’acier met en œuvre plusieurs filières selon les matière première utilisées et le procédé employé . [2] Ce pendant quel que soit le cas on met toujours en évidence trois opérations fondamentales : -Elaboration: Série de processus métallurgiques dont le dernier au moins à lieu en phase liquide et qui est destinées à aboutir à une nuance d’acier désirée. -Coulée: passage de l’état liquide à l’état solide. -Mise en forme : mis à part le cas particulier du moulage , elle est obtenue par laminage qui est une déformation plastique à chaud ou à froid conduisant à des produits plats (tôles) ou longs (profilés, barres, etc..). C’est cette dernière classification que nous adoptons ici et qui nous permet de considérer les quatre familles suivantes : - Les aciers au carbone d’usage général. - Les aciers de traitements thermiques, alliés ou non. - Les aciers inoxydables. - Les aciers à outils.[2] I.2.1. Les différentes familles d’aciers Il existe des aciers faiblement alliés, à faible teneur en carbone, et au contraire des aciers contenant beaucoup d’éléments d’alliage (par exemple, un acier inoxydable typique contient 10 % de nickel et 18 % de chrome en Masse). [3] I.2.1.1. Aciers non alliés à usage général (types S, E, ...) : Ils ont une faible teneur en carbone et sont les plus utilisés, leurs qualités Pouvant varier. Leurs applications vont de la construction soudée à l’ameublement en passant par l’électroménager. I.2.1.2. Aciers spéciaux (type C) : Leur composition est plus précise et plus pure et correspond à des usages définis à l’avance. Leurs applications courantes sont : forets, ressorts, arbres, matrices. 4 Chapitre I : Généralité sur les aciers I.2.1.3.Aciers patin ables Les aciers à résistance améliorée à la corrosion sont des aciers faiblement alliés appelés également aciers patin ables ou aciers auto protecteurs, cardans certaines conditions d’exposition, ils ont la faculté de se couvrir d’une Couche protectrice appelée « patine ».Ils sont connus sous différents noms de marque comme CORTEN, INDATEN, DIWETEN. Ces aciers font également l’objet de la norme NF EN 10025-5 de mars 2005. I.2.1.4. Aciers inoxydables : L’acier inoxydable est une des trois grandes familles d’aciers qui présente Une grande résistance à la corrosion, à l’oxydation à chaud et au fluage (Déformation irréversible). C’est un acier fortement allié. Ses applications Sont multiples: chimie, nucléaire, mais aussi couteaux et équipements ménager. Ces aciers contiennent au moins 12% de chrome I.2.2. Aciers ordinaires sans traitement thermique : Les aciers ordinaires correspondent à des produits de grande consommation. Ils sont obtenus dans les convertisseurs, fours martin. Ce sont des aciers qui n'ont pas fait l'objet d'une addition volontaire d'éléments d'alliage et qui ne doivent pas dépasser les valeurs limites comme le montre le tableau ci-dessous.[3] éléments P+S Si+Mn Ni Cr Mo V W Co Al Ti Cu Pb % 0,20 2 0,5 0,25 0,10 0,05 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,10 Tableau .I.1 : pourcentage des éléments. I.2.2.1. Aciers faiblement alliés : Ce sont des aciers dont la teneur en n'importe quel élément d'addition ne doit pas dépasser 5 %, ils sont désignés par :- Un nombre indiquant la teneur moyenne en carbone exprimé en centième pour cent (multiplié par 100).- Suivi de symboles normalisés des éléments alliés dans l'ordre des teneurs décroissantes, c'est à dire, le premier élément indique toujours l'élément dont la teneur est la plus élevée.- Les symboles sont suivis par des nombres indiquant la teneur moyenne des éléments d'additions multiplié par 4 pour les éléments C, K, M, N, S et par 10pour tous les autres éléments. 5 Chapitre I : Généralité sur les aciers I.2.2.2. Aciers fortement alliés : Ce sont des aciers caractérisés par la présence d'un ou de plusieurs éléments d'addition et au moins un de ces éléments a une teneur supérieure à 5 %. Dans cette catégorie, on trouve les aciers inoxydables, les aciers rapides pour la confection d’outils, les aciers à résistance thermique etc. Leur désignation normalisée est toujours précédée par la lettre Z suivie : -D'un nombre indiquant la teneur moyenne en carbone au centième pourcent. -Des symboles normalisés des éléments d'addition rangés dans l'ordre de teneur décroissante. -Des chiffres indiquant la teneur moyenne en pourcent des éléments d’addition. Dans le cas des aciers fortement alliés, les chiffres indiquent directement la teneur en % des éléments d'addition, donc il n'est pas nécessaire divise par les coefficients 4 ou 10 comme dans le cas des aciers faiblement alliés. [3] I.3. Influence des éléments d'alliages : L’action des éléments d’addition sur les caractéristiques des aciers dépend essentiellement de deux farceurs . Le premier Facteur est le type de modification qu’ils apportent de stabilité De l’austénite. Certains éléments , appelés gamma-gènes tels que le nickel et le Manganese ,élargissent le domaine de stabilité de l’austénite et abaissent les températures de transformation . On peut donc obtenir des structures austénitiques. le chrome et le molybdène rétrécissent le domaine de stabilité de l’austénite et élèvent Les températures de transformation. Le deuxième facteur est la tendance des éléments à se substituer en partie aux atomes de fer de la cémentite Fe3C , Ou à former des carbures . Par ordre d’affinité avec le C : Cr, W, Mo, V, Ti, Nb. Le Si et le Ni qui ne forment pas De s carbures se retrouvent en solution dans le ferrite. [4] Les éléments les plus fréquemment in corporels sont outre le selenium et le manganese , le nickel et le chrome ; le molybdène, le tungstène … Selon le percentage Element confère à l’acier des Proprieties spécifiques . 6 Chapitre I : Généralité sur les aciers Tableau I .2 : éléments d’additions et leurs effets sur l’acier. elements Effet sur l’acier Carbone Augmente la durite, la résistance à la traction et à la corrosion, diminue la ductilité et la malléabilité. Silicium Présent dans tous l’acier, a faible pourcentage (de 0,2 à 0,5 %) : rôle de désoxydant. Allie et à plus forte teneur : améliore la limite élastique et accroit la résistance à l’oxydation. Manganèse Augmente la trempabilité des aciers alliés et permet d’obtenir des aciers à structure austénitique stable , il participe à la formation de carbures et se trouve dans la cémentite , ou il remplace une partie du fer . Nickel Augmente la ductilité, surtout à la très basse température. Chrome Agit sur les points de transformation de l’acier et ralentit ainsi la vitesse de transformation de l’austénite au cours du refroidissement ( = augmentat ion de la trempabilité ) . Molybdène Augmente la trempabilité des aciers alliés. Bore Ajouté à l’acier en quantité extrêmement faible , accroit la trempabilité et , dans des aciers très spéciaux , améliore la résistance mécanique et la ductilité aux températures élevées . Azote Abaisse le point de transformation AC3 .il d iminue la ductilité et la ténacité . Tungstène et Forts caractères alpha gêne et carbogène , fréquemment utilisés pour Vanadium obtenir des aciers durs et résistants . cobalt Utilisé dans des aciers très spéciaux dont, il modifier certains processus structuraux. Phosphore et En faibles proportion , améliore la résistance de l’acier à l’oxydation Cuivre par l’air . I.4. Désignation des aciers : de Selon l’usage auquel on les destine , on peut classer les aciers soit en fonction leurs propriétés mécaniques ( Re0,2 , R m , A , KCV ), soit en fonction de leur 7 Chapitre I : Généralité sur les aciers composition chimique. Dans chacun des cas, des organismes nationaux établissent une normalisation qui peut varier d’un pays à l’autre . Les aciers sont classé s en deux groupes : -Aciers non alliés (aciers ordinales et aciers spéciaux,). - Aciers alliés (faiblement et fortement alliés). Le tableau ci-dessous donne un aperçu sur le pourcentage des éléments d'alliages dans les aciers alliés et non alliés. [4] Tableau. I.3: pourcentage des éléments d’additions. %des elements Acier Acier Acier d’addition non allié rabblement allié fortement allié Al < 0,3 > 0,3 B > 0 Co < 0,2 0,2 à 0,3 > 0,3 Cr < 0,3 0,3 à 0,5 > 0,5 Cu < 0,4 > 0,4 Mn + Si < 1,5 1,5 à 3 > 3 Mo < 0, 05 0,05 à 0,1 > 0,1 Ni < 0,3 0,3 à 0,5 > 0,5 Pb < 0,4 > 0,4 V < 0,05 0,05 à 0,1 > 0,1 W < 0,2 0,2 à 0,3 > 0,3 A titre d’exemples, citons les organismes de normalisation suivants : ACNOR : Association canadienne de normalisation (Canada). SAE : Society of Automobile Engainées (Etats - Unis). AISI : American Iron. And Steele Institute (Etats -Unis). DIN : Deutsche institut fur normaliseront (Allemagne). AFNOR : Association française de normalisation (France). I.5. Diagramme d’équilibre d’acier : Le diagramme d’équilibre Fer-carbone est très utile pour comprendre les aciers, les fontes et les traitements thermiques. Il est limité à droite par la cémentite Fe3C (6.67%C) est fait apparaître les deux grandes familles de métaux ferreux : les aciers (entre 0.008 % C et 2% C) et les fontes (de 2% C à 6.67% C ) . 8 Chapitre I : Généralité sur les aciers Figure .I.2 : Diagramme d’équilibre d’acier. I.6. Composition des aciers : On distingue plusieurs types d’aciers selon le pourcentage de carbone qu’il contiennent : Les aciers eutectoïdes (0,77%de carbone) aciers hyper eutectoïdes (de 0,77 à 2,11 % carbone) qui sont les plus durs. I.7. Les différentes phases de l’acier : I.7.1. La ferrite (F) : C'est une solution solide de carbone dans le far α c'est à dire la ferrite est constituée par du fer a renfermant des traces de Carbone (faible teneur en carbone < 0,02% ) ainsi . On distingue la ferrite a à basse température et à solubilité du carbone allant jusqu'à 0,02% et la ferrite δ à haute température à solubilité limite en carbone allant jusqu'à 0,1%. La ferrite est peu tendue et très ductile (HV = 90, R m = 300N/mm2, K = 300j/cm2 ). Elle est magnétique à la température ordinaire, au microscope la ferrite a l'aspect de grains homogène polyédrique. Elle possède un réseau cubique centré et elle est ferromagnétique jusqu'à 760°C 9 Chapitre I : Généralité sur les aciers I.7.2. Austénite : Du nom de William Chandler Roberts-Austen (1843-1902), l’austénite (fer γ) est une phase du fer, stable entre 910°C et 1394°C. Elle a une structure cristallographique cubique à faces centrées, notation Strukturbericht A1. Cette structure permet une grande solubilité du carbone (jusque 2,1% massique à 1147°C). L’austénite est amagnétique. Certains éléments d’alliage (manganèse, nickel, azote par exemple) augmentent la plage de stabilité de l’austénite ; ils sont dits «gamma gènes». Avec un dosage suffisant, ils permettent, grâce à une trempe, d’obtenir de l’austénite à température ambiante à l’état métastable. C’est le cas des aciers dits austénitiques. La grande majorité des aciers inoxydables est austénitique, car ils combinent de bonnes résistances à la corrosion avec des propriétés mécaniques plus élevées que l’acier Ferri tique .D’autres éléments (silicium, molybdène ou chrome par exemple) tendent à déstabiliser l’austénite. On appelle ces éléments « alpha gènes ». I.7.3. La cémentite (C) : La cémentite ou carbone de fer (Fe3C) est une combinaison chimique de fer et de carbone dont la teneur en carbone peut atteindre 6,67%. Elle est magnétique jusqu'à 210°C et très dure (HB = 700) mais fragile. La microstructure de la cémentite peut se présenter dans les aciers sous les formes suivantes : - Lamellaire dans la perlite lamellaire. - Grains dans les aciers ayant subi un traitement thermique de recuit. - Et de précipités inter granulaires dans les aciers ayant un % C > 0,8. Au point de vue du diagramme Fe-Fe3C et lors du refroidissement, la cémentite peut exister en trois différentes formes de liaison mais avec la même composition chimique. I.7.4. La perlite (P) : C'est un formé d'un mélange de grains de cémentite sphéroïdaux noyés dans la ferrite globulaire en couches alternées (88% de ferrite + 12% de cémentite) elle est obtenue lors du refroidissement et par décomposition de l'austénite à 0,8% de carbone. Elle présente dans l'acier ordinaire toujours une teneur en carbone de 0,85%. La perlite est dure (HV= 200) et assez ductile R m = 800 N/mm2, A = 1040. 10 Chapitre I : Généralité sur les aciers I.7.5. Troostite (T) : C'est une perlite extrêmement fine obtenue pour des vitesses de refroidissement assez importantes huile. Les nodules de troostite qui se développent à partir des joints de grains sont constitués par des lamelles ferrite-cémentite non séparables en microscopie optique. Cette microstructure est caractérisée d'une trempe douce. Les caractéristiques mécaniques de la troostite sont assez importantes (HV ≈ 450). I.7.6. Bain ite (B) : Ce constituant qui présente une morphologie aciculaire est obtenu après des vitesses de refroidissement élevées. On distingue des bannîtes supérieures qui peuvent être considérées comme étant des plaquettes de ferrite contenant des carbures orientés parallèlement à l'axe de la plaquette, et des bainites inférieures qui s'assimilent à des plaquettes de ferrite contenant une fine précipitation de carbures dispersés dans la plaquette de ferrite. Ces carbures ne sont discernables qu'en microscopie électronique. Les caractéristiques mécaniques associées à une texture bainitique approchent celles d'une structure martensitique. I.7.7 S'orbite. (S) : Ce constituant n'est plus un produit de décomposition directe de l'austénite puisqu'il correspond, en fait, à un stade de décomposition la martensite (pour des températures supérieures à environ 400°C).C'est un mélange complexe de carbure finement réparti dans une matrice ferrique distordue. Elle conduit à des propriétés mécaniques intéressantes par exemple la dureté reste encore élevée HV ≈ (300 à 400) pour une bonne résilience. I.7.8. Martensite : En ce qui concerne les aciers, la martensite (ferα) est une phase métastable issue de la transformation sans diffusion de l’austénite en dessous d’une température martensitique. C’est une solution solide d’insertion sursaturée en carbone dans le fer α, de même composition que l’austénite initiale. La transformation austénite - martensite consiste en un changement du réseau cristallin (avec un faible déplacement des atomes de fer), mais elle n’affecte pas le carbone: on appel ce type de transformation «displacive».La martensite cristallise dans le système quadratique (prisme droit à base carrée qui est ici très voisin d’un cube).La martensite est ferromagnétique. 11 Chapitre I : Généralité sur les aciers Elle possède une grande dureté (HV > 800) et une fragilité notable. Elle a une structure en aiguilles (plaques) ou en lattes, visibles avec un grossissement suffisant, après attaque par les réactifs classiques. Ces aiguilles correspondent à des plaquettes internes dont le plan habituel est voisin de (225), orientées à l’intérieur de chaque grain initial d’austénite suivant trois directions parallèles aux côtés d’un triangle équilatéral. Le durcissement de la martensite est d’ordre physico-chimique ; chaque atome de carbone, plus volumineux que l’interstice où il est inséré, écarte les deux atomes de fer voisins, le réseau du fer est ainsi fortement distordu, et ces perturbations en bloquant le mouvement des dislocations durcissent l’acier. I.7.9. Ledeburite I (LI) : C'est un mélange eutectique entre l’austénite et la cémentite et provenant lors du refroidissement du métal liquide avec 4,3% de carbone à la température eutectique. Le deburite I contient 51,4% d'austénite et 48,6% de cémentite et peut contenir de 2,06 à 6,67% de carbone. Son domaine de stabilité est 723°Cà1147°C.I I.7.10. Ledeburite II (LII) : Le ledeburite (II) provient durant le refroidissement du ledeburite ( I) par décomposition eutectoidale du composant contenant 51,4% d'austénite en perlite à la température 723°C. Le ledeburite II contient 51,4% de perlite et 48,6% de cémentite. Durant la solidification des alliages de fer et de carbone il y a lieu trois types de transformations iso thermiques, il s'agit des réactions péristaltiques, eutectiques et eutectoides. 12 CHAPTER II Les traitements thermiques Chapitre II: Les traitements thermiques II. Les traitements thermiques : II.1. Généralistes : Les traitements thermiques se définissent comme étant « l’ensemble des opérations de chauffage et de refroidissement contrôlé » appliqués à des métaux et alliages. De manière générale, les traitements thermiques agissent au niveau microstructural des métaux (matrice, précipités, distribution). [5] Ils permettent de modifier les propriétés mécaniques (en les augmentant ou en les diminuant), les propriétés physiques (par exemple, les conductibilités thermiques et électriques) et les propriétés chimiques (par exemple, la résistance en corrosion). En somme, La variation de la température en fonction du temps est appelée cycle thermique (chauffage, maintien et refroidissement).[5] T°C B c Ac3 A D Temps Figure. II.1 : cycle des traitements thermiques. II.1.1. Définition: Ensemble d’opérations de chauffages et de refroidissements, destinées à modifier les propriétés et les caractéristiques d'un produit métallurgique de manière à adapter son aptitude à un emploi déterminé. Les aciers, les fontes et certains alliages d’aluminium et de cuivre sont sensibles à leurs effets. [6] II.1.2. Règle Générale : Faire coexister dans une pièce destinée à un usage défini les valeurs maxima admissibles des caractéristiques (généralement mécaniques) qui varient en sens inverse, à savoir : (Résistance à la rupture Rm– Résistance élastique Re — Dureté H), avec (Allongement A% — Résilience). 14 Refroidissement Maintien Durée de maintine Echauffement Chapitre II: Les traitements thermiques Remarque : Dans les cas difficiles le choix d’aciers spéciaux permet de secondé l'effet du traitement thermique malgré qu'il soit préférable d’utiliser un acier ordinaire convenablement traité à la place d'un acier spécial ayant subi un mauvais traitement. Les opérations de traitements thermiques comportent un cycle composé d’un chauffage, d'un maintien à température, d’un refroidissement. Elles sont destinées à produire des constituants de trempe, de revenu, de recuit. II.1.3. Chauffage : La montée en température doit être suffisamment lente pour éviter les tapures et les déformations, en principe elle doit être d’autant plus lente que le métal est plus Dur, plus riche en carbone et en éléments spéciaux tels me (Mn. W, Cr). Que la section à chauffer est importante et massive, que la conductibilité du métal est plus faible (Figure .04). Figure .II.2 : les étapes de chauffage pour les aciers. Remarque : On ne préchauffe généralement pas de pièce des petites dimensions de forme simple, de section Uniform - conçues en aciers doux ou mi-durs dé construction. Par contre on préchauffe toujours les pièces en aciers durs, aciers outils, aciers rapides. On admet que la fragilité s’étend jusqu’à 550℃à 650℃. La température de préchauffage étant inferieur environ 30℃.Pour certains aciers nécessitant une température de traitement élevée (ex : aciers rapides deux préchauffages sont recommandés: 650 et870 ℃. [7] II.2. Les traitements thermiques classiques : A l’état solide les aciers sont de caractère cristallin, le cristal est forme à partir de motif (maille élémentaire) répète périodiquement dans les 3 dimensions de l’espace et formant un 15 Chapitre II: Les traitements thermiques réseau de structure, en est une représentation schématique une purement conventionnelle, car aucun cristal ne représente un réseau aussi simple. Les cristaux ainsi formes peuvent atteindre individuellement des dimensions voisinant le dixième de millimètre et pouvant aller au-delà du centimètre. La zone marquant le passage d’un cristal au cristal voisin est désignée sous le nom de joint, elle est effectuée par un changement d’orientation du système cristallin. [8] Le nom de grain désignant le cristal doit être attribue avec précaution, car il peut s’appliquer à des agrégats constitues de plusieurs cristaux. [8] II.2 .1. Les recuits : Les recuits ont pour but d’adoucir les aciers en éliminant les effets des étapes antérieures de leur fabrication (écrouissage ou trempe), ainsi que les hétérogénéités de structure imputables à leur élaboration (forgeage, laminage, soudage). Les recuits permettent en outre de retrouver les structures d’équilibre des aciers. Selon les buts visés et les modifications st ructurales obtenues, on distingue plusieurs types de recuits : le recuit de normalisation, le recuit complet, le recuit de coalescence, le recuit de recristallisation et le recuit de détente. Figure. II.3: cycle thermique du Recuit complet. II.2 .1. 1. Recuit de normalisation : On procède au chauffage dans le domaine austénitique (50 °C au-dessus de la température d’austénitisation, A3, et au maintien pendant environ une heure. Après quoi, on laisse l’acier refroidir à l’air. La structure obtenue est un mélange de ferrite et de perlite fine. On cherche ici à obtenir une microstructure uniforme (affinement de la taille des grains) et à améliorer les propriétés de l’acier, après une déformation à chaud. [9] 16 Chapitre II: Les traitements thermiques II.2 .1. 2. Recuit complet : Ce recuit est techniquement semblable à la normalisation ; toutefois, pour obtenir une perlite plus grossière et un adoucissement plus marqué des propriétés, on laisse l’acier refroidir au four. [9] II.2 .1. 3 .Recuit de coalescence : On procède au chauffage et au maintien prolongé à une température légèrement inférieure à la température de début de transformation, AC1. On cherche ainsi à obtenir une perlite globulariées, afin de rendre les aciers durs plus facilement usinables. La structure obtenue est moins dure que celle d’une perlite lamellaire. [9] II.2 .1. 4. Recuit de recristallisation : On procède au chauffage dans le domaine Ferri tique (entre 500 et 700 °C) et on contrôle le refroidissement. On applique ce traitement aux produits déformés à froid (tôles minces laminées à froid, par exemple) pour faire disparaître les structures d’écrouissage et faciliter ainsi une mise en forme ultérieure (emboutissage, pliage, etc). [10] II.2.1. 5. Recuit de détente : On procède au chauffage dans le domaine Ferri tique (entre 500 et 650 °C) et on veille à ce que le refroidissement soit lent. Ce traitement permet de réduire, voire d’éliminer, les contraintes internes engendrées au cours de la fabrication (assemblages soudés, pièces moulées et forgées, etc.). [10] Figure .II4: structure d’un acier AISI H11 à l’état recuit 17 Chapitre II : Les traitements thermiques II.2.2.Trempe : On veille ici à ce que le refroidissement soit suffisamment rapide, afin d’éviter la transformation de l’austénite en produits d’équilibre (ferrite et perlite) et d’obtenir plutôt une transformation martensitique. La vitesse critique de trempe est la vitesse de trempe minimale qui permet d’éviter tout début de transformation perl tique ou bain tique et d’obtenir ainsi une structure entièrement martensitique. Cette vitesse critique de trompe, qui est fonction de la composition chimique de l’acier et de son histoire antérieure (taille des grains austénitiques, conditions d’austénitisation, etc.), permet de définir la trempabilité de l’acier. La trempabilité est la capacité d’un acier de se transformer en martensite dans des conditions de refroidissement données. Un rond d’acier ordinaire (contenant 0,60 % de C) de 100 mm de diamètre, lorsqu’il est trempé à l’eau, ne subit une transformation martensitique complète que sur quelques millimètres de profondeur, par contre, ce même rond peut être trempé à cœur s’il contient en plus des éléments d’alliage. L’acier du second rond est par conséquent plus tremble que celui du premier. La trempabilité d’un acier est déterminée par le diamètre critique. On appelle diamètre critique le diamètre d’une barre (trompée dans des conditions données), dont la structure, au centre, se compose de 50 % de martensite et de 50 % de perlite. Puisque ce diamètre est fonction de la sévérité du milieu de trompe, le diamètre critique idéal est celui qu’on obtiendrait dans un milieu de trempe de sévérité infinie. Dans un tel milieu, la surface de la pièce trompée atteindrait instantanément la température du bain de trempe, et la vitesse de refroidissement, en un point quelconque de la pièce, ne dépendrait que des propriétés thermiques du métal et non de la résistance de l’interface métal-bain de trempe à l’écoulement de la chaleur. [11] Figure.II.5: cycle thermique de la trempe et revenu. 18 Chapitre II: Les traitements thermiques II.2.3.Revenue : Après la trempe, on chauffe l’acier entre 150 et 650 °C pendant environ une heure. Nous avons déjà vu que, au cours du revenu, il y avait décomposition de la martensite et retour partiel à une structure comportant les constituants d’équilibre ferrite et carbures Si le revenu diminue les propriétés mécaniques de l’acier (limite d’élasticité, résistance et dureté), il améliore par contre sa ductilité et sa ténacité. Toutefois, dans certains domaines de température, le revenu peut s’accompagner d’une diminution de la ténacité. Cette sensibilité à la fragilisation au cours du revenu - fragilité au bleu - se manifeste pour des températures de revenu allant de 250 à 350 °C, températures auxquelles la cémentite commence à se former; cette sensibilité est par ailleurs reliée à la présence d’impuretés (N, P ou S). Une autre forme de fragilisation au cours du revenu apparaît dans les aciers alliés entre 400 et 575 °C ; dans ce cas, ce sont des traces de Sn, Sb ou P qui entraînent, par ségrégation inter granulaire, une fragilisation des anciens joints de grains austénitiques. [12] II.3. Traitements de surface : Les traitements thermiques dans la masse améliorent les propriétés mécaniques des aciers, mais ils s’accompagnent d’une diminution de leur ténacité. Or, pour de nombreuses utilisations, ce sont surtout les propriétés des surfaces qui sont importantes (dureté superficielle et résistance à l'usure, par exemple). Dans ces cas, il est donc préférable de ne traiter que la surface de la pièce, afin que son cœur, de résistance moyenne, conserve une bonne ténacité. Les pièces pour lesquelles on effectue de tels traitements sont aussi nombreuses que variées : arbres de torsion, dents d’engrenages et de pignons, arbres à came, surfaces de glissement, etc. Pour effectuer les traitements de surface, puisqu’il n’est plus nécessaire que l’acier ait une forte trempabilité, on utilise en général des aciers au carbone ordinaires, ou des aciers peu chargés en éléments d’addition et qui sont sujets à une faible pénétration de trempe. Les surfaces traitées, à cause des transformations qui accompagnent le traitement, sont le siège d’importantes contraintes de compression résiduelles. Cet état de contrainte exerce un effet bénéfique sur la résistance à la fatigue et sur l’endurance des pièces ainsi traitées, puisque les microfissures auront plus de difficulté à se former dans les zones superficielles mises en compression. On distingue deux types de traitements de surface : 1. Les trempes superficielles, appliquées uniquement à la surface des pièces. 2. Les traitements thermochimiques, qui modifient la composition de la surface. Dans les deux cas toutefois, la pièce traitée est hétérogène, car, entre le cœur et la surface, s’établit des gradients de structure et de propriétés. [13] 19 Chapitre II: Les traitements thermiques II.3.1.Trempe superficielle des aciers : II.3.1.1. Principe et but : Il consiste à chauffer localement la surface d’un pièce en acier jusqu’à la température d’austénitisation , a la refroidir ensuit un vitesse suffisant pour obtenir un constituant de trempe énergique . Le refroidissement s’effectue le plus souvent par un jet d’eau sous pression ,ont pour but l’obtention d’une dureté élevée en surface jointe à une ténacité et une ductilité importantes à cœur, on peut obtenir ce résultat par une modification de la zone super ficelle de la pièce soit par un traitement thermique localisé ( chauffage superficielle et trempe ).[11] II.3.1.2. procède de la trempe superficielle : La grande dureté provient du refroidissement énergique venant à la fois de L’intérieur de la section , le volume de métal à refroidir étant faible par rapport à celui resté froid . Dans le cas d’un traitement thermique classique , la quantité de chaleur à évacuer de toute la masse de la pièce ne permettrait d’obtenir ce résultat qu’en choisissant une acier fortement allié . On distingue deux types de traitements de surface les trempe superficielles ,appliquées uniquement à la surface des pièces , et les traitements thermochimiques, qui modifient la compositions de la surface , dans les deux cas toutefois, la pièce traitée est hétérogène , car, entre le cœur et la surface , il s’établit des gradients de structure et de propriétés .[12] II.3.1.3. Moyens de chauffage d’une trempe superficielle : II.3.1.3.1. Le chauffage par induction : Le chauffage à la flamme oxyacétylénique ou oxymétrie sont couramment utilisés. Un générateur de courant haute fréquence , crée un champ magnétique alternatif dan lequel es placée la pièce à chauffer. L’ensemble forme sans fer ,l’échauffement de la pièce est dû aux pertes par courant sin duits (de FOUCAULT ) , la circulation des courants s’effectue à la périphérie de la pièce sur un épaisseur qui est fonction de la fréquence , la profondeur chauffée, varie en fonction de fréquence f (en HZ) et le temps et la puissance , la fréquence restant fixe. Dans les application courantes de chauffage par induction , la puissance spécifique utilisée de 1 à 4 KW/cm². [13] 20 Chapitre II: Les traitements thermiques Figure. II.6: trempe superficielle par induction. II.3.1.3.2. Trempe superficielle par flamme : Les courants induits examinés précédemment sont remplacés par une flamme qui, dirigée perpendiculairement à la surface à durcir , élève température , la flamme est escamotée ou déplacée, remplacée immédiatement par une douche munie de jet d’eau de refroidissement qui produit l’effet de trempe recherché. [16] Figure .II.7: chauffage par flamme. II.3.2. Traitements thermochimiques : En plus modifier la microstructure de la surface et, partant , ses propriétés mécanique , les traitements thermochimiques en modifient la composition , ce une profondeur pouvant atteindre 1 ou 2 mm .Ces traitements thermochimiques sont : -La cémentation diffusion le carbone. 21 Chapitre II: Les traitements thermiques -La boruration diffusion le bore. -La nitruration diffusion l’azote.- La cyanuration et carbonisation .-La métallisation par cémentation [17]. Figure. II.10 : four des traitements thermochimiques. II.3.2.1.Traitements thermochimiques avec élément léger : II.3.2 .1.1. La cémentation : La cémentation est un processus de saturation en carbone de la couche superficielle de l'acier et ayant pour but principal, l'obtention d'une surface dure et résistance à l'usure pas enrichissement de la couche superficielle en carbone jusqu'à une concentration de 0,8 à 1,2 % C et par trempe ultérieure suivie d'un revenu à basse température. Ce procédé accroît également la limite de fatigue. La cémentation est appliquée aux aciers à faible teneur en carbone (0,5 à 0,02 % C) pour les grosses pièces jusqu'à 0,3 % C. Le choix de la nuance d'acier est nécessaire pour que le cœur de la pièce garde sa ductilité. Il existe trois modes essentiels de cémentation.- Par agents solides contenant du carbone. - Par gaz.- Par agents liquides. Généralement la profondeur maximum de pénétration est de 2 mm, donc il est exigé que les différentes opérations d'usinage doivent être réalisées avant le traitement de cémentation, c'est à dire, les pièces à cémenter sont fournies après l’usinage qui doit prévoir alors une surépaisseur de rectification de 0,05 à 0,1 mm, ou après finition. [17] Figure. II.11: procédé de cémentation. 22 Chapitre II: Les traitements thermiques II.3.2 .1. 2. Cémentation solide : Dans cette opération est un cément solide, le plus souvent le charbon de bois. Pour accélérer la cémentation, on ajoute au charbon des activant dont le carbonate de baryum BaCO3 et le carbonate de sodium Na2CO3 à raison de 10 à 40 % du poids du charbon. Le cément solide largement utilisé se compose de charbon de bois, de 20 à 25% de BaCO3 et jusqu’à 3,5% de CaCO3.Les pièces sont placées dans des caisses soudées en acier, ou plus rarement, en fonte. La température de cémentation varie de 900 à 940 °C. Après cémentation, les caisses ne sont ouvertes qu’après leur refroidissement à l’air jusqu’à 400 ou 500°C. Le carbone atomique est obtenu de la manièr vante : 2COCO2+O a t L’addition du carbonate rend le cément beaucoup plus actif et enrichit l’atmosphère carburante en oxyde de carbone : BaCO3+CBaO+ 2CO [16] II.3.2 .1.3. Cémentation liquide : Les pièces sont plongées dans un bain de sel fondu à base de cyanure de baryum et de sodium vers 980°C. Cette technique relativement simple de mise en œuvre permet un chauffage homogène et une action chimique régulière. [17] II.3.2 .1.4. Cémentation gazeuse : La cémentation gazeuse est la plus employée. Elle se fait industriellement à partir d’atmosphères obtenues par installation et décomposition à chaud (combustion) d’hydrocarbures, atmosphère qui sont caractérisées par leur potentiel carbone. Le potentiel carbone d’une atmosphère est défini comme étant « la teneur en carbone à la surface d’un échantillon de fer pur en équilibre avec le milieu de cémentation considérée dans les conditions retenues ». Il y a carburation si, initialement l’activité du carbone dans le métal est inférieure au potentiel carbone de l’atmosphère. Dans le cas inverse, il y a décarburation du métal. Quand ces deux variables sont égales le système est à l’équilibre et n’évolue pas. Les gaz tels que l’oxyde de carbone et le méthane réagissent à chaud à la surface de l’acier, de telle sorte que le carbone libéré s’insère dans le réseau cubique à face centrée du fer. 2COCO +CCH42H2 +C. [17] Au cours de la cémentation, il peut y avoir dans la partie superficielle de la couche enrichie, une oxydation des éléments manganèse, chrome et silicium présents dans l’acier. Par suite de la diminution de la trempabilité qui en résulte, il peut y avoir au cours de la trempe formation de constituants autres que la martensitique auront pour effet d'abaisser notablement la résistance à la fatigue. La formation des oxydes internes est un phénomène typique dans la 23 Chapitre II: Les traitements thermiques cémentation gazeuse. Les quantités des oxydes internes formés et leur profondeurs dépend des conditions de la cémentation (température, temps….), plus la profondeur de la : Figure. II.1.2: Austénite résiduelle dans une couche cémentée et durcie par trempe. Figure. II.13:Micrographie d’une couche cémentée par plasma pendant 2 h d’un acier. II.3.2 .1. 5. Cémentation ionique Les pièces à cémenter sont placées en position de cathode à l’intérieur d’une enceinte contenant un hydrocarbure sons pression réduite. L’application d’une différence de potentiel électrique entre une anode et une cathode (la pièce) conduit à la formation d’une décharge électrique dans l’enceinte et d’une couche luminescente qui entoure la pièce, dont le chauffage est assuré par le plasma. De façon très simplifiée, les gaz carburants sont dissociés pour fournir du C libre. Par rapport aux autres techniques de cémentation, la cémentation par plasma présente les avantages suivants : - Possibilité d’effectuer un décapage ionique préalable de la surface à cémenter afin nettoyer.- Transfer plus rapider de carbon dan lacier. - Meilleur contrôle des paramètres de traitement et de la productibilité.- Plus bass consommation de gaz et d’énergie. 24 Chapitre II: Les traitements thermiques - Absence de pollution de l’environnement. - Plus grande propreté et absence d’oxydation superficielle des pièces traitées ; -Possibilité de réaliser des zones cémentées très précisément délimitées.[18] II.3.2.2. Carbonitruration (750- 880 °C) : Les agents de carbonitruration sont liquides ou gazeux les éléments liquides sont des sels à base de cyanure, cyanate alcalins, carbonates et chlorures alcalins ; les carbonates et les chlorures permettent d’abaisser le point de fusion et les chlorures activent le bain. Les céments gazeux sont des mélanges de gaz contenant du carbone (hydrocarbure..) et de gaz contenant de l’azote (ammoniac), par réaction mutuelle ces gaz forment du CN et du CNH qui sont les agents à la fois carburants et nitrurant. Les atomes d’azote, comme les atomes de carbone, entrent en solution solide d’insertion dans l’austénite. L’azote accélère la diffusion du carbone, c’est ainsi que la carbonitruration des aciers mi-durs à 850 °C progresse deux fois plus vite que la cémentation des mêmes aciers par le carbone seul, l’azote a donc un rôle important d’accélération du processus d’enrichissement. [19] II.3.2.3. La boruration : La boruration est un traitement Thermochimique pour métaux ferreux, qui résulte en une surface de Borure de Fer très dure et résistante à l'usure. Le traitement est idéal pour les pièces qui sont exposées simultanément à de l'usure abrasive et adhésive, avec des exigences de résistance à la corrosion élevées. En principe tous les métaux ferreux sont applicables à la boruration, il est cependant important de noter que la teneur de silicium doit être max. 1 % et celle de l'aluminium doit être < 0,005 %. Les grands avantages d’une Boruration sont une obtention d’une dureté de surface qui est 3 x plus élevé que dans l'état non traitée et 2 x plus dur que la Nitruration ou une trempe. La résistance contre le soudage à froid (frottement/grippage des matériaux) sera moins bonne. La résistance à la corrosion reste raisonnable dans les milieux alcalins et acides non oxydants, et bonne résistance à la cavitation. Les applications typiques sont des robinets-vannes dans l'industrie chimique, vis, têtes de spin, outils de soufflage dans l'industrie du verre, vannes rotatives de dosage et plaques d'usure. [20] 25 Chapitre II: Les traitements thermiques Figure. II.14: Couche de boruration sur l’engrenage. II.3.2.1.4 .1.- Propriétés d'une surface de Borure : Profondeur du traitement 10-30 µm. Applications Thermiques avec pointe à maxi 1000°C et en continu maxi 500°C. Dureté de la surface: 1600-2000 Micro Vickers. Traitement très économique grâce à de faibles coûts d'outils. Bon accrochage au support du fait de la constitution dentelée de la couche de Borure Trempe possible pendant et après traitement possible. Dimensions standard 3200x2000x900mm, autres sur demande. - Industries: Appareillage, Vannes et robinets, Constructions de machines Industrie du verre Industrie Textile. [21] II.3.2.1.5. La nitruration : La nitruration conduit à l’obtention d’un durcissement superficielle par diffusion d’azote en générale sans traitement thermique consécutifs. L’agent nitrurant peut être : -liquide : bains de sels fondus. -solide : poudres. -gazeux : ou l’azote est actif à l’état atomique (nitruration gazeuse classique) ou à l’état d’ions dans un plasma (nitruration ionique). [22] 26 Chapitre II: Les traitements thermiques Figure. II.15 : couche de nitruration. - Le diagramme fer-azote On a le diagramme suivant en pourcentage atomique : Figure. II.16 : Le diagramme fer -Azote. La phase la plus riche est la phase ε Fe2N Sa structure est hexagonale avec en Moyenne 2 ou 3 atomes d’azote en insertion par maille. [23] 27 Chapitre II: Les traitements thermiques On a ensuite la phase γ’ Fe4N de structure cubique faces centrées avec un atome d’azote au centre de la maille. On retrouve ces 2 phases ε et γ’ dans la couche superficielle sur une épaisseur de 20 µm. Elles constituent la couche blanche qui est fragile. Au-delà, plus en profondeur, on a la couche de diffusion avec une solution solide d’insertion de l’azote dans le fer α qui atteint entre 0,5 mm et 1mm. Le coefficient de diffusion est D =6 ,60.10s. La durée du traitement est de Plusieurs dizaines d’heures. En ordre de grandeur, il faut 100 h pour avoir une épaisseur de 1 mm de la couche diffusion. [23] II.3.2.6. La nitruration gazeuse : Ce type de nitruration se déroule généralement dans un four de type cloche ou puits équipé d'un système de convection forcée de l'atmosphère. Le principe de base est d'amener du gaz ammoniac dans un four doté d'un système de brassage de l'atmosphère et d'une régulation de température. Ce traitement de nitruration peut être considéré d'une façon globale comme un transfert des atomes d'azote du gaz ammoniac dans le matériau. Cette réaction peut s'écrire de la façon suivante : NH3 = N+3H.Pour des températures voisines de 600 °C, un traitement de 10 heures avec de l'azote permet d'obtenir des couches de combinaison d'épaisseur pouvant atteindre les 20 microns et pour certaines conditions la couche de diffusion peut dépasser les 150 microns. [24] II.3.2.7. La nitruration ionique : Dans une enceinte contenant un mélange gazeux à base d'azote sous une pression de 10 à 1x103 Pa, on applique une tension continue, comprise entre deux électrodes. L'échantillon à traiter fait office de cathode et les parois de la cuve d'anode. Le courant et la tension sont choisis de manière à provoquer une décharge luminescente qui conditionne le départ et l'accélération des électrons libres de l'échantillon métallique vers les surfaces anodiques du four. Lorsque ces électrons entrent en collision avec les molécules de gaz proches de la surface de l'échantillon, celles-ci s'ionisent c'est à dire qu'elles libèrent un ou plusieurs électrons de valence qui peuvent percuter d'autres molécules et libérer ainsi d'autres électrons. De plus, le champ électrique au voisinage de la cathode et de l'anode est suffisamment élevé pour provoquer ainsi l'ionisation des atomes de l'atmosphère gazeuse au voisinage des pièces. L'ensemble des particules ionisées constitue ainsi le plasma dans lequel 28 Chapitre II: Les traitements thermiques les ions négatifs formés sont attirés par l'anode tandis que les ions positifs sont attirés par la cathode. C'est le cas des ions azote, qui sont majoritairement positifs et sont attirés par la pièce à traiter. L'interaction entre les ions azote et la matière conduit alors à un processus d'absorption et, suivant les paramètres de traitement, à la formation de nitrures et à la diffusion d'azote atomique à travers la section de la pièce. Le problème pour cette technique est l'impossibilité de dissocier la création du plasma de l'échantillon. En effet, pour des pièces de formes complexes, il se produit des phénomènes de cathode creuse avec un échauffement local de la pièce. C'est pourquoi de nouveaux systèmes sont actuellement développés dans le but de créer le plasma par des électrodes secondaires. [25] II.3.2.8. La nitruration en bain de sel : Aux températures de nitruration 500 - 550 °C, il est possible d'obtenir une réaction de nitruration à partir de la décomposition thermique d'un cyanure alcalin (potassium ou sodium). Différents bains industriellement utilisés, à base de cyanate et de carbonate peuvent être utilisés, la nitruration peut être activée par insufflation d'air, la réaction est alors plus rapide. Il est possible de former des couches de nitrure de combinaison (composé de ε) épaisses, mais souvent la couche de diffusion est faible et la température élevée ne permet pas d'obtenir des valeurs de contraintes importantes. [26] II.3.2.9. Siliciuration : C’est la saturation en silicium de la surface de l'acier, ce qui donne à l'acier une bonne tenue à la corrosion, vis à vis des différents milieux, la siliciuration accroît quelque peu l'usure. L'opération s'effectue dans un mélange pulvérulent (75 % de Ferro-silicium + 20 % de chamotte et le reste H4Cl), ou le plus souvent, dans un milieu gazeux (SiCl4), obtenue en faisant passer du chlore par un espace réactif contenant les pièces à traiter et du Ferro- silicium ou du carbure de silicium. La température de saturation est de 950 à 1000°C. La couche siliciure se distingue particulièrement par une porosité accrue, sa profondeur est de 0,3 à 1 mm, mais caractérisée par une faible dureté (200 à 300 HV). La siliciuration est appliquée aux pièces utilisées dans l'équipement chimique, du papier, du pétrole etc. [28] 29 Chapitre II: Les traitements thermiques II.3.3.Traitements thermochimiques avec deux éléments légers : II.3.3.1. La cyanuration : La cyanuration est un procédé ayant pour but la saturation simultanée de la surface de l'acier en carbone et en azote afin d'augmenter la dureté et la tenue à l'usure. Les aciers destinés à subir un tel traitement contiennent de 0,2 à 0,4 % C. La cyanuration réalisée à des températures de 820 ou 860°C, dans des bains contenant 20 à 25 % NaCN, 25 à 50 % NaCl et 25 à 50 % Na2CO3, est destinée pour obtenir une couche de faible épaisseur (0,15 à 0,35 mm). La durée de l'opération varie en fonction de l'épaisseur de la couche à obtenir est de 30 à 90 mm. [28] Le carbone atomique et l'azote dégagés selon les réactions ci-dessous, diffusent dans l'acier. 2NaCN + O2 → 2 NaCNO 2 NaCNO + O2 → Na2CO3 + CO + 2 N 2 CO → CO2 + Cat Pour obtenir une couche plus épaisse (0,5 à 2 mm), l'opération se déroule dans un bain différent composé de NaCN, BaCl2 et NaCl. La cyanuration est très employée dans l'industrie automobile et applicable aux petites pièces, telles que les pignons de commande de la pompe à huile, les compteurs de vitesse, les axes de ressort de la suspension arrière, les vis sans fin du volant, les petits arbres, les écrous etc. L'inconvénient de la cyanuration est le prix élevé et la nocivité des cyanures, ainsi que la nécessité imposée de prendre des mesures de protection spéciales. [28] II.3.3.2.Traitements thermochimiques avec élément lourd : II.3.3.2.1. Métallisation par cémentation : C’est un traitement thermochimique qui consiste à saturer la couche superficielle de l'acier en éléments tels que aluminium, chrome, bore etc. Après traitement, l'acier acquiert plusieurs propriétés importantes telles que la tenue à chaud et à l'usure accrue, la résistance à la corrosion et la dureté. [29] II.3.3.2.2. La chromisation : C'est la saturation en chrome de la couche superficielle des pièces de l'acier, par diffusion du chrome en milieu pulvérulent à une température supérieure à AC3, (1000 à 1050 °C). Généralement la chromisation augmente la tenue à la corrosion jusqu'à 800°C et celle des aciers à teneur élevée en carbone (> 0,3 à 0,4 % C) (chromisation dure) augmente la d ureté et la tenue à l'usure. [30] 30 Chapitre II: Les traitements thermiques La chromisation s'effectue dans des poudres formées essentiellement du ferrochrome et d'une matière poreuse. Les pièces sont mises en caisses et entourées de ce mélange. Une circulation d'hydrogène est assurée de bas vers le haut. A 1000°C, on introduit du chlorure d'hydrogène anhydre qui réagit avec le ferrochrome Selon la réaction : FeCr + 4 HCI → FeCl2 + CrCl2 +H2 Dont une partie du CrCl2 réagit avec le fer, l'autre partie réagit avec l'hydrogène. CrCl2 + Fe → FeCl2 + CrCrCl2 + H2 → 2 HCl + Cr Le chrome ainsi formé, peut diffuser dans l'acier. L'opération dure quelques heures jusqu'à 12 heures. La dureté de la couche formée par une chromisation douce (faible teneur en carbone) est de 250 à 300 HV, tandis que pour une chromisation dure (teneur 0,4 % C), peut atteindre de 1200 à 1300 HV, l'épaisseur est de 0,15 à 0,20 mm. [30] Figure. II.17 : couche de chromisation La chromisation est très employée pour les pièces constituantes les machines à vapeur, soupapes, valves, tubulures, etc. Il faut distinguer entre la chromisation et le chromage qui consiste à réaliser un dépôt électrolytique de chrome pour les aciers alliés, non alliés, trompés et non trempés. La couche obtenue est très dure (900 HV), mais assez fragile et peu résistante aux chocs thermiques. [31] 31 CHAPITRE III Les essais mécaniques pour Caractérisation des matériaux Chapitre III: Les Essais Mécaniques Pour La Caractérisations Des Métaux III.1 Introduction: Les essais mécaniques sont des expériences dont le but est de caractériser les lois de comportement des matériaux mécanique des milieux continus la loi de comportement établit une relation entre les contraintes pression et force et surface ,et les déformations :allongement unitaire adimensionnel Il ne faut pas confondre une déformation avec un déplacement ou une dilatation .cependant , la déformation d'une pièce dépend de la géométrie de la pièce et de la manière dont sont exercés les efforts extérieurs sur cette pièce .il faut donc normaliser les essais. Des normes définissent donc; la forme de la pièce d'essai dont on teste le matériau, on parle alors d'éprouvette normalise. III.2. Les Essais de traction III.2.1.Introduction: Les propriétés mécaniques des métaux et alliages sont d'un grand intérêt Puisqu' elles conditionnent non seulement les problèmes de mise en forme Des matériaux , mais également leur comportement en service dans des Applications industrielles extrêmement diversifiées . [34]Le choix du métaux d'une pièces industrielles dépendra de la propriété Mécanique, de la résistance , de la dureté et de la ductilité . il est donc Nécessaire de mesurer ces grandeurs physiques par des essais mécaniques. L'essais de traction est le procède expérimental le plus largement utilisé Dans l'étude du comportement mécanique. Il permet l'étude des propriété mécaniques de base III.2.2. principe de L'essai de traction: L'essai de traction consiste à soumettre une éprouvette de forme définie à Une effort de traction appliqué , de façon continue jusqu' rupture de l 'éprouvette et enregistrer la déformation de l'éprouvette en fonction de la force appliquée. [32] III.2.3 Les éprouvettes L'éprouvette est généralement obtenue par usinage d'un prélèvement d'une Produit , on d'une ébauche moulée . sa section est généralement plate ou Circulaire , les éprouvettes de traction sont normalisées III.2.4 courbe de traction conventionnelle La courbe de traction conventionnelle ,est la courbe obtenue à partir de L'enregistrement F en fonction de ∆L effectué en cours d'essai en 32 Chapitre III: Les Essais Mécaniques Pour La Caractérisations Des Métaux rapportant la force à la section initiale pour raisonner termes de contrainte R=F/S et en Rapportant l'allongement à longueur initiale pour raisonner en termes d'allongement à relatif Ɛ= ∆L/L◦ . on obtient ainsi une courbe . Intrinsèque au matériau , indépendante des dimensions de l'éprouvette utilisée point de rupture ( ∆L ) Figure III.1: courbe de traction conventionnelle. La courbe de traction classique F en fonction de ∆ L présente trois domaines Caractéristique : .Zone d'élastique: domaine élastique à déformation réversible ( le coefficient De proportionnalité est le module d' Young F). le point A marqué la limite Du domaine élastique; . Zone plastique : domaine de déformation permanente homogène ou de Déformation plastique répartie . le point C se situe à charge maximale et au Début de la striction; III.2.5 Mesure des contraintes III.2.5.1 La limite d' élastique R e Autrement dit, c'est la charge maximum (N) par une section(mm) 2 à partir de laquelle les déformations cessent d'étre proportionnelles Aux efforts. R 2 =F e / S 0 La limite élastique R e est la contrainte au –delà de la loi de HOOKE cesse De l'appliquer III.2.5.2 La limite d'élasticité R e ( 0.2%) 33 Domaine elastique Domaine plastique F Chapitre III: Les Essais Mécaniques Pour La Caractérisations Des Métaux Cette limite correspond à la contrainte à partir de laquelle le matériau Commence à se déformer plastiquement . En parti que . Bien que la définition Soit simple .cette limite est difficile à apprécier : car le passage du domaine Elastique au domaine plastique se fait de façon progressive La difficulté de lecture donnerait des interprétation erronées de cette limite Conventionnelle d' élasticité à 0.2% III.2.5.3 La résistance à la traction R m La résistance à la traction R m est la charge maximale (N) que peut supporter Le métal soumis à une traction , Au-delà de cette valeur de la contrainte, Apparait le phénomène d'instabilité qui conduit à la rupture avec formation De la striction . Sa valeur est déterminée au cours de l'essai de traction , elle correspond au Point C de la courbe R m = F m / S0 III.2.5.4 La Résistance à la Rupture La résistance à la rupture est une grandeur conventionnelle puisqu' fait Référence à la section initiale de l'éprouvette , mais elle représente une limite Que les sollicitations ne doivent pas atteindre pour éviter un risque de ruin . Au –delà du point D ,l'éprouvette casse. [35] La rupture peut alors se faire selon deux modes ductile ou fragile R r= Fr / S0 III.2.5.5 Module d'élasticité Le module d'élasticité , est un paramètre lié aux propriétés élastiques du matériau , Il traduit l'action des forces de liaisons interatomique. Par suit , il est peu sensible aux changements de microstructure . Le module de Young E est la pente de la portion linéaire de la courbe De traction caractériser en fonction de déformation Ɛ. E = F÷S 0*L 0 / ∆L L0 : Longueur initiale de l' éprouvette une entre repères . F : force appliquée au point considère le diagramme dans le domaine Elastique . ∆L : Allongement de l'éprouvette dans le domaine élastique . 34 Chapitre III: Les Essais Mécaniques Pour La Caractérisations Des Métaux III.2.6 Courbe de traction rationnelle σ σ e A 0Ɛ Figure III.2 . La courbe de traction rationnelle Dans l'essai de traction , on mesure les efforts à la section initiale De l'éprouvette .Il existe une représentation de la traction de plus en plus Utilisée en laboratoire , que consiste à reporter la contrainte vraie σ en Fonction de la déformation rationnelle Ɛ* , c'est la courbe rationnelle De traction . l'allure d'une telle courbe est représentée sur la figure II.2 Ci-après . sur cette courbe il n'y a pas de différence avec la trace ordinaire Pour la partie élastique et la limite d'élasticité R e, car les déformation Elastiques sont très faibles. La portion d'allure parabolique de la courbe rationnelle , peut être mise Sous forme mathématique . L'expression la plus utilisée , est la parabole généralisée : σ = σ0 + К*Ɛ ᶰ III.2.6.1 Contrainte vraie Comme la montre la définition, la charge de rupture est une grandeur Conventionnelle puisque l'on rapporte la charge maximale à la section initiale La contrainte vraie correspond à la charge rapportée à la section instantanée Soit; S0L0 = S ( L0 +∆L ) 35 Chapitre III: Les Essais Mécaniques Pour La Caractérisations Des Métaux S= S0 * 1 / 1 + e Avec e = ∆L / L0 l'allongement relatif Donc σ = F / ( 1 + e ) F : charge appliquée (N) S0 : section initiale ( mm) . III.2.6.2 Déformation rationnelle L'allongement ordinaire n'est pas additif. Ce qui est genant , les calculs De plasticité le remplace par la déformation rationnelle formation introduit De la façon . On a : e = ∆L / L0 Soit (L0 ) la longueur entre repères de l'éprouvette à une instante donnée . Si on l'allonge d'une quantité ∆L , l'allongement relatif sera ∆L / L0La déformation réalisée entre L0 et L0+ ∆L III.3. Essai de résilience III.3.1 Introduction: L' essai de résilience a pour objet , de déterminer la résistance des Matériaux la rupture sous l' effet d’un choc par l' intermédiaire de l'énergie de rupture. Bien que la résistance à la rupture se mesure traditionnellement , comme tout Le monde le sait , avec un essai de traction classique. La résistance que l’ on vise à étudier ici a peu commun avec la résistance Observée dans un essai de traction , la déformation est graduellement Imposée à l’ éprouvette . [33] La matière a ainsi assez le temps pour réagir et s' adapter au changement Dans la pratique une pièce est souvent soumise à des chocs brutaux. Pour cette situation , les valeurs observées dans un essai de traction ne Donnent toujours satisfaction et peuvent même être trompeuses . 36 Chapitre III: Les Essais Mécaniques Pour La Caractérisations Des Métaux III.3.2. I Définition du principe de essai et à L'essai de résilience ( essai au choc ) consiste à rompre par un seul choc Une éprouvette préalablement entaillée en son milieu mesurer l'énergie W ( en joules ) absorbée du matériau. III.3.3 Les éprouvettes pour la résilience III.3.3.1 Eprouvette CHARPY U Une éprouvette est an barreau usiné de section carrée de 10 mm de cote et Dont la longueur est de 55mm . l'entaille de 2mm de largeur et de 5mm de Profondeur se termine par un fond cylindrique de 1mm de rayon. La résilience est alors mesurée selon le symbole k c (Figure II.3 ) 55mm 10mm 5mm 2mm 5mm Figure III.3 : Eprouvette CHARPY U . III.3.3.2 Eprouvette CHARPY V Pour un essai avec une éprouvette CHARPY V , l'éprouvette sera ntaillée En V de 2mm de profondeur et avec un angle 45° dont les dimensions Sont les mèmes que pour les éprouvettes CHARPY U . on précise par le Symbole k cv l'essai de résilience en V . ( figure II.4) 37 Chapitre III: Les Essais Mécaniques Pour La Caractérisations Des Métaux 55mm 10mm 5mm 5mm 45° Figure II.4: Eprouvette de CHARPY V . III.3.4 Températures pour les essais de résilience Généralement les essai sont réalisés à température 20°C et à des températures Inferieures à 0°C . Des gaz ou liquides sont utilisés pour abaisser. [36] Les températures des éprouvette si nécessaire (alcool , fréon , azote , liquide ,)Pour la résilience CHARPY V ( k cv ). Plutôt utilisée pour des températures inferieurs à 0°C aujourd'hui tends A se développer meme à température ambiante . 38 CHAPTER IV Partie expérimental Chapitre IV: Partie expérimental IV . Introduction : Dans le chapitre on a télécharger plusieurs articles publiés ,pour faire une comparaison sur Le travaux des chercheurs qui sont travaux sur le même axe . IV.1. 1er article IV.1.1 Matériaux utilisé (Al2 O3) Nous avons utilisé deux type de Matériaux : * le premier est un acier ordinaire Cylindrique de diamètre 25mm revêtu par deux dépôts : _ dépôt d' aluminium Al2O3 _ dépôt composite forme de 80% TiO2 et 20% Al2O3. Cet échantillon a été réalisé par déposition plasma par le département Leader en Allemagne (plasma engineering ans surface technologies ) . [37] Figure IV.1: Schémas des échantillons utilisés La second est un allige d' aluminium de nuance AU4G revêtue par un Dépôt d' acier inoxydable obtenu par projection plasma . Cet échantillon a été élaboré par le laboratoire SPTS ( sciences des Procédés céramiques et de traitements de surfaces )De limoges ( France ). Les condition de projections sont : • courant de projection :500 A • distance de tir : 100mm • matériaux de déposition : acier 316l , composite céramique • épaisseur de la couche _300um 39 Chapitre IV: Partie expérimental L‟ échantillon, est sous forme d‟un cylindre de 40mm de diamètre et de 9 mm d‟épaisseur. La surface revêtue est rectifiée pour servir de support d‟ essais tribologiques (Figure III.2). La composition des matériaux de revêtement ne sont données que globalement. L ‟acier 316L (norme AISI) est un acier austénitique de composition technique : 0,03%C, 17%Cr, 12%Ni et 2,5%Mo. [38] Figure IV.2 : Schéma d'échantillon utilisé IV.1.2 condition travail Les essais d' usure ont été effectués sous les conditions expérimental Suivantes: Vitesse de rotation de échantillon : 56trs/min, • force appliquée -100N pour le dépote alumine et composite céramique ; -60N pour le dépote d' acier inoxydable ; • durée d'essais :30min • contact ponctuel : bille /dépôt plasma; • le pion est une bille d'alumine très dure de diamètre 6mm; • IV.2.3.Moyens et appareils utilisé IV.2.4 projecteur de profil Pour la mesure de la largeur de chaque piste ,nous avons utilisé le projecteur de profil. 40 Chapitre IV: Partie expérimental IV.2.5 Duromètre Les essais de dureté ont été effectué sur un d uromètre de type ZHU 2.5Permettant de réaliser différentes forme de dureté (Figure IV.3) Figure IV.3duromètre ZHU 2.5 la dureté du substrat et le profil de dureté substrat couche .on a réalisé des essais de dureté Vickers avec une charge de 5N et un temps de maintien de 15 secondes. IV.1.6. observations métallographiques: pour les observations métallographique, on a utilisé deux microscopes le primaire est binoculaire ordinaire pour des observations grossières et sert a la limitation des endommageant majeurs (Figure IV.5). Le deuxième est un microscopes métallographique axio vert 40MAT " CARL ZEISS " , il est constitué d' : • un revolver de 4 a 5 objectives • un camera • un logiciels ( intelligence integer ) 41 Chapitre IV: Partie expérimental Figure. IV.4. Binoculaire Figure IV.5: microscopes métallographique Axiovert40MAT IV.1.7. Préparation des échantillons Pour les observations métallographique , l'échantillon a été Minutieusement polit au papier verre différentes grades jusqu'à 4000 Sur une polisseuse rotatif . [38] Les échantillons sont ensuite attaques chimiquement La solution d' attaque est constituée de, 10cm3 fluorhydrique ,15cm3acide Et 90cm3 eau distillée , le temps 20 s IV.1.8. résultats IV.1.8.1 Etude de l' acier a revêtement alumine ou céramique composite IV.1.8.2 Caractérisation par mesure de dureté : 42 Chapitre IV: Partie expérimental Tableau. IV .1 : dureté des échantillons Substrata a ci Er Revetment composite N° F max (N) d(mm) HV F max (N) d(mm) HV 1 5,03 0,05 320,09 5,03 0,05 320,09 2 5,03 0,05 320,99 5,02 0,07 207,08 3 5,00 0,07 216,26 5,01 0,07 187,81 4 5,02 0,03 798,92 IV.1.8.3 Tenue à l' usure: Le tableau III.2 rassemble toutes les données relatives à l’essai d’usure pour chaque type d’échantillon . Nous avons omis toute grandeur relative à la bille étant donné qu’elle n’a enregistré aucune perte de masse, Nous avons suivi l’usure des échantillons par la mesure des grandeurs suivantes: D : diamètre moyen de la piste en mm, v : vitesse de glissement relative en mm/s, l : la largeur moyenne des pistes en mm, L : longueur (distance) parcourue au cours de l’essai en m, m : perte de masse après un essai d’usures en mg, V : volume perdu en mm3, K : le coefficient d’usures selon l’équation d‟ Achard Tableau. IV .2 : resultant’s expérimentaux Substrate Piste D [mm] v [mm/s] l [mm] L [m] m V K [mg] [mm3] [10-5 g. N-1 m- 1] 1 6,36 13,089 1,51 23,55 98,9 12,68 4.2 2 15,712 39,54 1,62 71,16 104,6 13,41 1,4 43 Chapter IV: Partite experimental 3 22,168 58,76 1,64 105,78 120,9 15,5 1,1 Echantillo n revêtu en Al2O3 Piste D [mm] v [10-3m/s] l [mm] L [m] m V K [mg] [mm3] [10-5 g. N-1 m- 1] 1 7,166 20,48 2,089 36,86 93,6 24 2,51 2 16,092 43,34 2,23 78,012 199,1 51,05 2,5 3 - - - - - - - Echantillo n à revêtement composite Piste D [mm] v [10-3m/s] l [mm] L [m] m V K [mg] [mm3] [10-5 g. N-1 m- 1] 1 6,1955 18,17 1,63 31,69 87,7 19,48 2,7 2 15,8146 47,84 1,70 86,11 165 36,67 1,9 3 21,068 61,79 1,733 111,21 192,7 42,82 1,7 IV.2. 2eme Article IV.21. introduction: On présente dans ce 2 article les technique d'élaboration des couches De revêtements de l' alumine et du système Ni –Al , ainsi qu'une Présentation générale des Différentes techniques de caractérisation de ces dépôts . IV.2.2. L