Dégradation d’une structure
La dégradation d’une structure peut avoir plusieurs origines : Soumise à des efforts ou à des déformations excessifs, on constate des déformations anormales (irréversibles) des pièces voire la rupture de celles-ci : c’est donc que la pièce est mal calculée (donc mal conçue) ou que les efforts extérieurs avaient dépassé leurs valeurs admissibles : 𝐹 > [𝐹].
Pour définir les caractéristiques mécaniques des matériaux, on réalise un essai de traction sur des éprouvettes normalisées . L’objectif étant d’évaluer la résistance mécanique. Cette dernière caractérise la contrainte maximale qu’un matériau peut supporter avant de se rompre. La résistance d’un matériau est fonction, bien entendu, de l’intensité de ses liaisons atomiques ou moléculaires, mais elle peut également dépendre de l’influence de certains paramètres extérieurs, comme la forme des pièces ou les défauts qui y sont présents (fissures et dislocations) .
Par ailleurs pour faciliter la mise en forme des matériaux, on cherche une bonne ductilité qui représente la propriété grâce à laquelle un matériau peut se déformer de façon permanente avant de se rompre. Dans les solides cristallins, la ductilité est due au déplacement des dislocations. Pour augmenter la capacité à résister aux déformations réversibles, le matériau doit avoir une haute limite d’élasticité autrement dit, il doit avoir une bonne rigidité qui caractérise l’intensité des liaisons atomiques. Cette propriété est le plus souvent caractérisée par le module d’Young, E. Si les efforts sont cycliques ; il ya aura un phénomène de fatigue engendrant une rupture brutale. La résistance à la fatigue est caractérisée par la limite d’endurance.
Opérant dans un environnement agressif ; la pièce se ruine par corrosion du métal ; Un travail au frottement entraine l’usure des pièces.
Pour des pièces renfermant des défauts (géométriques ou structuraux), leur résistance dépendra de leur ténacité qui représente la capacité globale du métal à absorber l’énergie d’une déformation, et de s’opposer à la propagation brutale de la fissure (défaut).
Classification des aciers
On peut classer les aciers selon leur composition chimique ou selon leur domaine d’utilisation. C’est cette dernière classification qui nous permet de considérer les quatre familles suivantes . Les aciers au carbone d’usage général : Les aciers au carbone d’usage général, utilisés tels quels, sans traitement ultérieur, constituent environ 85 % de la production des aciers. Ce sont des matériaux produits en très grande quantité et dont le prix est relativement bas. Outre le carbone, ces aciers contiennent des éléments d’addition (manganèse, silicium…) et des impuretés (soufre et phosphore) dont la présence découle de leur mode d’élaboration.
Les aciers de traitements thermiques : Les aciers alliés ou non alliés de traitements thermiques sont définis en fonction de leur composition. La composition chimique de ces aciers permet de déterminer les traitements qu’on peut leur appliquer en fonction des propriétés recherchées. Aciers non alliés : Ces aciers sont, en fait, intermédiaires entre les aciers d’usage général de type A et les aciers fins de type XC; on peut leur faire subir un traitement thermique mais les caractéristiques mécaniques obtenues peuvent être assez variables d’un lot à l’autre et même à l’intérieur d’un même lot.
Aciers alliés : On distingue deux grandes catégories d’aciers alliés : Aciers faiblement alliés : Ce sont des aciers dans lesquels aucun élément d’addition n’atteint la teneur de 5%.
Aciers fortement alliés : Dans ces aciers, au moins un élément d’addition atteint la teneur supérieure ou égale à 5%.
Aciers à outils : Sont des aciers utilisés pour la fabrication d’outils mécaniques tels que les mèches, outils de coupe, cisailles, marteaux, burins…etc. Les caractéristiques d’utilisation des aciers à outils sont semblables à celles des aciers alliés, mais elles exigent l’amélioration d’un certain nombre de propriétés : la dureté, la trempabilité ; la tenue à chaud, la ténacité, la résistance et la résistance aux chocs thermiques.
Aciers inoxydables : Les aciers inoxydables comprennent un ensemble de familles d’alliages à base de fer dont la principale propriété est la résistance à la corrosion généralisée. Toutefois, bien qu’on les qualifie d’inoxydables, ces aciers ne sont pas dans tous les cas totalement exempts d’une possibilité de corrosion. Le chrome est l’élément essentiel qui, à des teneurs supérieures à environ 12 %, rend l’acier inoxydable en favorisant, en milieu oxydant, la formation d’un film passif à sa surface.
Influence des éléments d’addition
Les éléments d’addition (éléments d’alliage) sont en général des ‘’métaux’’ surtout dans les aciers mais ce peut être des ‘’non métaux’’ ou des ‘’gaz’’. En général, les éléments d’alliage améliorent les propriétés de ces métaux. Les éléments d’addition dans les aciers sont nombreux (une trentaine) .
Ces éléments ont une action spécifique dans les aciers :
Manganèse : On l’utilise surtout pour améliorer les propriétés des aciers d’usage général et la trempabilité des aciers de traitements thermiques, et ce a un faible cout. Le manganèse se retrouve rarement seul comme élément d’alliage, car il entraine plusieurs inconvénients : sensibilité à la surchauffe au cours de l’austénitisation, sensibilité qui provoque une croissance des grains ; augmentation de la fragilité au revenu ; diminution de la ductilité et de la résistance mécanique mesurées selon une direction perpendiculaire au laminage (sens travers).
Nickel : Le nickel, qui ne forme pas de carbures, agit principalement sur les propriétés de la ferrite augmentation de la résistance mécanique et de la ténacité. Les aciers qui contiennent plus de 0.5% de nickel conservent une bonne résilience, même à des températures très basses (aciers à 9 % de nickel utilisés pour les réservoirs cryogéniques).
Le nickel freine en outre la croissance des grains austénitiques (aciers de cémentation) et il exerce une action moyenne sur la trempabilité (facteur d’augmentation de la trempabilité de 1,4/1 % Ni). Silicium : Le Silicium augmente par ailleurs la stabilité du revenu, mais il accroit la fragilité de l’acier. Cet élément améliore la résistance à l’oxydation à chaud et la résistance au fluage ; c’est pourquoi on peut le retrouver dans des aciers au chrome. On le retrouve également en présence de manganèse (1,5 a 2 % de Si et 0,6 à 0,9 % de Mn) dans les aciers mangano-siliceux utilises pour la fabrication des ressorts (limite d’élasticité élevée).
Chrome : Le chrome augmente considérablement la trempabilité (facteur d’augmentation de la trempabilité de 3,2/1 % Cr). Il améliore également la résistance au revenu et la tenue à chaud, grâce à la formation de carbures de chrome qui exercent un effet de durcissement par précipitation, durcissement qui pallie l’adoucissement de la martensite.
Enfin, le chrome, qui joue un rôle de premier plan dans la résistance à la corrosion, est l’élément d’addition le plus important des aciers inoxydables. On emploie le chrome dans les aciers de cémentation lorsqu’on veut améliorer la résistance à l’usure des surfaces carburées. Les aciers hypereutectoïdes (>0,8% de C) au chrome (0,50 à 1,70 % de Cr) sont largement utilises pour la fabrication des roulements (billes, rouleaux, etc.).
Molybdène : Le molybdène améliore la résistance au revenu en favorisant l’apparition d’un durcissement secondaire dû à la formation de carbures, Mo2C, et en diminuant la sensibilité a la fragilisation au revenu.
Architecture atomique et défauts du réseau cristallins
La microstructure d’un matériau est formée par l’ensemble des grains et des particules de taille microscopique, ou des défauts observables par microscopie (électronique ou bien optique). Elle nous permet de caractériser les structures et les propriétés de plusieurs matériaux .
Un monocristal, géométriquement parfait, est un ensemble d’ions régulièrement repartis dans l’espace. Pour décrire cet arrangement, on définit un réseau cristallin par un ensemble de nœuds obtenus à partir d’une maille élémentaire répétitive avec une périodicité tridimensionnelle. Les trois structures cristallines les plus fréquentes dans les métaux sont les structures cubiques à faces centrées (c.f.c.) , cubique centrée (c.c.) et hexagonale compacte (h.c.). Les structures c.f.c. et h.c. sont les plus compactes. La structure cristallographique du cristal est loin d’être toujours parfaite, parce qu’elle est perturbée par une série des défauts, qui ont une grande influence sur certaines propriétés fondamentales. Ces défauts peuvent naitre à l’échelle ponctuelle tels que les lacunes qui sont un atome manquant à un nœud de réseau cristallin, linéaire telles que la dislocation coin et la dislocation vis , au niveau plan ; c’est le cas des joints de grains qui sont des imperfections planes qui séparent deux cristaux d’orientation différente dans un agrégat polycristallin et en macles qui sont des défauts dans l’ordre d’empilement des couches denses d’atomes.
Dislocations et leur rôle dans la déformation plastique
Dans un cristal réel, il existe en plus des défauts ponctuels, des défauts linéaires ou dislocations . Une dislocation est caractérisée par le vecteur de Burgers. Ce vecteur est le défaut de fermeture d’un circuit qu’on aurait tracé autour de la dislocation dans un plan normal à celle-ci.
Dépendamment de la nature du défaut, Les dislocations peuvent être classées en plusieurs catégories : Une telle dislocation est la ligne sur laquelle se termine un demi-plan atomique supplémentaire à l’intérieur du cristal. On peut remarquer sur cette figure que le cristal est déformé au voisinage de la dislocation : au-dessus de la ligne de dislocation AB, la distance entre les atomes étant moins grande que leur distance d’équilibre, le réseau est en compression ; la situation inverse prévaut sous la dislocation : le réseau y est en tension.
Une dislocation vis est le résultat d’un cisaillement du réseau parallèlement à la ligne de dislocation. Nous avons décrit ici deux types de dislocation rectiligne, qui sont deux modèles extrêmes ; dans la réalité, les lignes de dislocations sont courbes, et une dislocation est donc parfois coin lorsque la ligne est perpendiculaire à la déformation, parfois vis lorsque la ligne est parallèle à la déformation, parfois entre les deux. On peut même avoir une boucle de dislocation (la ligne est un cercle fermé). La déformation plastique d’une pièce métallique se fait par le mouvement des dislocations . Le passage d’une dislocation à travers un cristal fait glisser l’une par rapport à l’autre les deux moities du cristal séparées par l’aire balayée par la dislocation .
Si l’on exerce une déformation plastique importante sur un cristal contenant, au départ, peu de dislocations, on constate néanmoins un glissement global dans le cristal beaucoup plus grand que celui qui correspondrait au mouvement des quelques dislocations que contenait le cristal.
Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I. Généralité sur les matériaux
I.1. Introduction
I.2. Dégradation d’une structure et propriétés mécaniques
I.2.1. Dégradation d’une structure
I.2.2. Intérêt des propriétés mécaniques
I.3. Domaine d’application des aciers
I.3.1. Définition
I.3.2. Classification des aciers
I.3.2.1. Aciers au carbone d’usage général
I.3.2.2. Aciers de traitements thermiques
I.3.2.3. Aciers à outils
I.3.2.4. Aciers inoxydables
I.3.3. Influence des éléments d’addition
I.4. Architecture atomique et défauts du réseau cristallins
I.5. Dislocations et leur rôle dans la déformation plastique
I.6. Elasticité et plasticité
I.6.1. Comportement fragile
I.6.2. Comportement élastique non linéaire
I.6.3. Comportement ductile
I.7. Concept de la mécanique de la rupture et ténacité
I.7.1. Concept fondamental
I.7.2. Facteur d’intensité de contrainte
I.8. L’état des surfaces
I.8.1. Généralités
I.8.2. Défauts géométriques
I.8.3. Rugosité
I.8.4. Paramètres de rugosité
I. 9.Essais mécaniques
I. 10. Essais dureté
I.10.1. Domaines de la dureté
I.10.2. Essais sclérométriques ou par rayures
I.10.3. Les essais par rebondissement
I.10.4. Les essais par indentation
I.10.4.1. Essai de dureté Brinell
I.10.4.2. Essai de dureté Rockwell
I.10.4.3. L’essai de dureté Vickers
I.10.5. Intérêt et application des essais d’indentation
I.11. Essai de traction
I.11.1. Intérêt et déroulement de l’essai
I.11.2. Courbes conventionnelle et rationnelle.de traction
I.11.3. Propriétés de traction
I.11.3.1. Domaine élastique linéaire
I.11.3.2. Domaine plastique
I.11.4. Phénomène d’écrouissage
I.11.4.1. Mécanisme et effet de l’écrouissage
I.11.4.2. Influence des caractéristiques mécaniques sur l’écrouissage
I.11.4.3. Courbe et coefficient d’écrouissage
I.11.5. Phénomène de Striction
I.11.5.1. Aspect phénoménologique
I.11.5.2. Critères de Striction
I.11.5.2.1. Critère de Considère
I.11.5.2 2. Critère de Swift
I.11.6. Energie de déformation
I.12. Essais de ténacité
I.12.1. Essai de ténacité
I.12.2. Essai de Résilience
I.12.3. Mesure d’après l’essai de traction
I.13. Conclusion
Chapitre II. Le brunissage
II.1. Introduction
II.2. Définition et principe
II.3. Intérêt et Paramètres du brunissage
II.4. Effets du brunissage
II.4.1. Effets sur la qualité géométrique de surface
II.4.2. Effets sur la qualité physique de surface
II.4.3. Effets sur la qualité mécanique de surface
II.5. Conclusion
Chapitre III. Matériaux et techniques Expérimentales
III.1. Introduction
III.2. Matériaux
III.2.1. Définition
III.2.2. Composition chimique
III.2.3. Caractéristiques mécaniques
III.2.4. Microstructure des aciers
III.3. Eprouvettes
III.3.1. Géométrie
III.3.2. Gamme de préparation
III.4. Essais de traction
III.5. Brunissage
III.5.1. Dispositif de brunissage
III.5.2. Conditions du brunissage
III.6. Mesure de la rugosité
III.7. Tests de la dureté
III.8. Tests de la microdureté
Chapitre IV. Résultats Expérimentaux
IV.1. Résultats Expérimentaux et discussion
IV.2. Rugosité de surface
IV.3. Dureté des Couche superficielles
IV.4. Courbes conventionnelles de traction
IV.5.Energie de déformation
IV.6. Taux de consolidation
IV.7. Conclusions
Chapitre V. Modélisation des courbes conventionnelles et simulations numériques
V.1. Contrainte et déformation vraie
V.2. Obtention de la courbe rationnelle
V.3. Evaluation du coefficient d’écrouissage
V.4. Lois d’écrouissage
V.5. Simulations numériques
V.5.1.Généralités
V.5.2. Simulations de traction
V.5.2.1. Etapes de la simulation sur ABAQUS
V.5.2.2. Conduite de la simulation
V.5.2.3. Considérations techniques
V.5.2.4. Résultats et discussion
V.6. Conclusion
Conclusion général et Perspectives
Références bibliographiques
