Soutenance mémoire
Les aciers de construction, en plus de leurs propriétés mécaniques élevées, doivent- ils faire preuve d’une résistance de construction élevée qui se manifeste dans les conditions de service réel. Cette catégorie d’aciers comporte de nombreuses nuances prévues pour des usages spécifiques (boulonnerie, chaînes, ressorts, roulements, soupapes…) ainsi que des variantes destinées à des mises en œuvre particulières (aciers de décolletage, aciers à usinabilité améliorée, aciers prétraités…). Ces aciers sont destinés à subir des traitements thermiques pour répondre à des exigences relatives à leur trempabilité. Ils peuvent, par ailleurs, présenter des aptitudes particulières quant à leur mise en œuvre (usinabilité).
Les éléments d’alliage (Cr, Ni, Mo, V et parfois Si) apportent surtout la trempabilité et, éventuellement, des aptitudes particulières au durcissement. Les plus alliés peuvent atteindre des niveaux élevés de résistance, et sont susceptibles d’être utilisés à des températures extrêmes. Les propriétés intéressantes de ces aciers, leur font d’excellents matériaux pour les applications de traitements de surface (1).
Le domaine des traitements de surface est vaste, tant par les applications, que par les phénomènes physiques concernés ou les procédés de réalisation mis en jeu. Ainsi, certains traitements de surface consistent à modifier la structure du matériau de base sur une profondeur plus ou moins importante. Il s’agit des transformations structurales, qui ne modifient que peu la nature chimique du substrat. Cette catégorie regroupe l’implantation ionique, le grenaillage de précontrainte et les traitements thermiques superficiels. D’autres consistent à déposer un revêtement sur le substrat: il s’agit, pour les plus courants, des dépositions chimique et physique en phase vapeur (CVD, PVD), des revêtements obtenus par voie chimique ou électrolytique, ou des revêtements projetés. Ils ne modifient que peu le substrat (2). D’autres, enfin, consistent à introduire un corps étranger dans le substrat, où on trouve une palette de procédés qui s’étend des traitements thermochimiques aux procédés électrochimiques. Les plus utilisés de ces traitements thermochimiques ont pour objet principal de modifier en surface la capacité de durcissement de l’acier, en augmentant la dureté superficielle, la résistance à l’usure et au frottement ainsi que l’amélioration de la résistance à la corrosion. La boruration est l’un de ces traitements. Similaire à la cémentation et à la nitruration, la boruration a pour but, d’augmenter les caractéristiques de surface des pièces métalliques pour les différentes applications industrielles (3, 4, 5). Depuis tant d’années, les chercheurs ont montré un grand intérêt pour les traitements thermochimiques conventionnels, en raison de leur importance dans l’industrie. Cependant, la combinaison de ces différents traitements de surface offre la possibilité de modifier la composition chimique des couches superficielles, en formant des phases très dures qui précipitent en extrême surface et au niveau de la couche de diffusion. Ces traitements combinés améliorent la durée de vie des composants d’ingénieries, en réduisant l’usure, la corrosion et le coefficient de frottement. D’après la littérature, un nombre limité de travaux qui ont envisagé la combinaison de ces traitements de cémentation, nitruration, nitrocarburation et boruration des aciers, à savoir la boronitruration, borocarburation et borocarbo-nitruration .
Aperçu sur les aciers de construction
Dans les groupes des aciers de construction, on trouve les aciers au carbone et les aciers alliés, destinés à la fabrication des éléments de machines, utilisés dans la construction des ouvrages d’art et des édifices. La teneur en carbone dans ce groupe d’aciers ne dépasse pas 0,5 à 0,6 %. L’acier de construction doit posséder en plus des bonnes propriétés mécaniques, de bonnes propriétés technologiques telles que se prêter bien au formage (laminage; forgeage, emboutissage, etc.), à l’usinage, au soudage, avoir une pénétration de trempe élevée et une faible aptitude aux déformations et aux tapures de trempe (1).
Classification des aciers de construction
Aciers de construction métallique
Aciers de base non alliés au Fe – C ou Fe – C – Mn, livrés généralement prêts à l’emploi à l’état ferrito-perlitique et dits parfois d’usage général. Ils sont soudables et ne sont pas destinés à subir des traitements thermiques (saufs les traitements de détente après formage ou soudage). Ils doivent parfois satisfaire à des conditions particulières relatives à leur mise en forme à température ambiante (pliage, bordage…). Dans cette catégorie s’inscrivent les aciers micro-alliés dits à dispersoïdes.
Aciers pour constructions soudées
Les aciers micro-alliés sont livrés (après laminage thermomécanique) à l’état ferrito-perlitique. La ferrite est durcie par précipitation de carbures ou carbonitrures de Nb et/ou V provoquée au cours d’un refroidissement contrôlé après laminage. Ces aciers contiennent en général une faible teneur en carbone pour des exigences de soudabilité et une teneur relativement élevée en manganèse pour des exigences de résistance. Les aciers pour constructions soudées doivent d’abord avoir une bonne soudabilité. De plus, il est nécessaire qu’ils aient une limite élastique assez élevée et ils ne doivent pas être susceptibles de rupture par fragilité mécanique. Ils sont très employés en construction métalliques soudées et en chaudronnerie, notamment, dans le domaine ferroviaire (1).
Aciers de construction ordinaires
Ces aciers sont moins purifiés et contiennent donc plus de soufre, de phosphore et certaines autres inclusions non métalliques. Ils sont employés pour des pièces peu importantes tels que les fers marchands, laminés à chaud (poutres, barres, cornières, tôles,…). Ils sont très employés aussi dans la fabrication des éléments de machines peu importantes (axes, arbres, pignons, doigts de chenilles, bagues, boulons, écrous). Les propriétés mécaniques d’un acier ordinaire peuvent être sensiblement améliorées par un traitement thermique (généralement une trempe à l’eau après chauffage). Pour les constructions soudées, on utilise essentiellement les aciers calmés et semicalmés à faible teneur en Mn et Si. Les aciers prévus à cet effet doivent avoir une faible aptitude au vieillissement thermique. Pour les nuances devant être utilisées dans les régions froides, le seuil de rupture à froid acquiert une grande importance. Les aciers doivent être calmés et traités thermiquement (amélioration ou normalisation). Les aciers de construction ordinaires, ayant une composition chimique définie et demandent une bonne tenue à l’usure, (axes, poussoirs, vis sans fin, pignons), subissent généralement une cémentation .
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Synthèse bibliographique
I.1 Aperçu sur les aciers de construction
I.1.1 Classification des aciers de construction
I.1.1.1 Aciers de construction métallique
– Aciers pour constructions soudées
I.1.1.3 Aciers de constructions ordinaires
I.1.1.4 Aciers de constructions de qualité
I.1.1.4 Les aciers de constructions pour cémentation
I.1.1.6 Aciers d’amélioration
Aciers alliés au chrome
Aciers alliés au chrome-manganèse
Aciers alliés au chrome-silicium-manganèse
Aciers alliés au chrome-nickel
I.1.2 Eléments d’alliages des aciers de construction
I.2 Traitement thermochimique de nitruration
I.2.1 Principe général du traitement de nitruration
I.2.2 Couche de combinaison ou couche blanche
I.2.3 Couche de diffusion
I.2.4 Mécanisme de durcissement de la couche de diffusion
I.2.5 Influence des éléments d’alliage
I.2.5 Procédés de nitruration
I.2.5.1 Nitruration et nitrocarburation en bains de sels
Bains non activés
Bains activés
I.2.5.2 Nitruration gazeuse
Nitrocarburation ferritique
Nitrocarburation ferrito-austénitique
I.2.5.3 Nitruration ionique
I.2.6 Traitements thermiques préalables
I.2.6.1 Trempe et revenu
I.2.6.2 État recuit
I.2.7 Aciers pour nitruration
I.2.8 Propriétés des couches nitrurées
I.2.8.1. Comportement mécanique
a) – Dureté et précontraintes en surface
b) – Tenue à chaud
c) – Comportement en fatigue
d) – Comportement tribologique
e)-Autres propriétés mécaniques
f) – Comportement à la corrosion
I.3 Traitement thermochimique de boruration
I.3.1 Principe général du traitement de boruration
I.3.2 Structure cristalline du borure de fer FeB
I.3. 3 Structure cristalline du borure de fer Fe2B
I. 3.4 Caractéristiques des couches de boruration
I. 3. 5 Procédés de boruration
I. 3. 5. 1 La boruration par voie solide
a) La technique des poudres
b) La technique des pâtes
I. 3. 5. 2 La boruration par voie gazeuse
I. 3. 5. 3 La boruration par voie liquide
a) La boruration électrochimique dans des sels fondus
b) La boruration chimique dans des sels fondus
I. 3. 5. 4 Boruration par plasma
I. 3. 6 Influence des éléments d’addition sur la boruration
I. 3.7 Microstructures et morphologies des couches borurées
I. 3. 8 Mécanisme de formation des couches borurées
I. 3. 8.1. Formation d’une couche compacte riche en bore sur la surface de l’acier
I. 3. 8.2. Formation et croissance de la couche Fe2B
I. 3. 8.3. Formation et croissance de la couche FeB
I. 3. 8.4. Formation de la zone de transition
I. 3. 9 Mesure de l’épaisseur des couches borurées
I. 3. 10 Propriétés des aciers borurés
I. 3. 10. 1 Dureté élevée
I. 3. 10. 2 Comportement à l’usure
I. 3. 10. 3 Comportement à la corrosion
I. 3. 10. 4 L’adhérence des couches borurées
I. 3. 11 Traitement thermique après boruration
I. 3. 12. Quelques applications industrielles de la boruration
I. 4. Traitements duplex
I. 4. 1. Boro-chromisation
I. 4. 2. Boro-aluminisation
I. 4. 3. Boro-carburation
I. 4. 4. Boronitruration
Chapitre II : Matériaux et techniques expérimentales
II.1 Matériaux étudiés
II.2 Traitements thermochimiques
II.2.1 Nitrocarburation liquide en phase ferritique
II.2.2 Traitement de boruration en caisse
II.3 Techniques expérimentales utilisées
II.3.1 Microscopie optique
II.3.2 Microscopie électronique à balayage et microanalyse élémentaire
II.3.3 Mesures des microduretés Vickers
II.3.4 Diffraction rasante des rayons X
II.3.5 Mesures des rugosités
II.3.6 Test d’usure par abrasion
II.3.7. Test de frottement
II.3.8 Essai de corrosion électrochimique
II.3.9 Essai de corrosion par immersion (Méthode de la masse perdue)
Chapitre III : Résultats et discussions
III.1 Caractérisation de l’état normalisé
III.2 Traitements thermochimiques
III.2.1 Nitrocarburation ferritique
III.2.1.1 Microstructure des couches nitrocarburées
III.2.1.2 Formation des phases (D.R.X) après nitrocarburation
III.2.2 Traitement de boruration et boronitrocarburation
III.2.2.1 Microstructure des couches borurées
III.2.2.2 Microstructure des couches boronitrocarburées
III.3 Etude de l’état de surface par profilométrie (Rugosité)
III.4 Formation des phases (D.R.X)
III.5 Analyse élémentaire de l’extrême surface par EDS
III.6 Profils de microdureté
III. 7 Comportement tribologique des couches formées par nitrocarburation, boruration et traitement duplex
III. 7.1 Comportement au frottement
III. 7.2 Comportement à l’abrasion
III.8 Comportement à la corrosion des couches nitrocarburées, borurées et boronitrocarburées
III.8.1 Comportement électrochimique
III.8.2 Corrosion par immersion
Conclusion
Perspectives
Références bibliographiques
