COMPORTEMENT DES ACIERS AU CARBONE SOUS SOLLICITATIONS MONOTONES ET CYCLIQUES

Les aciers au carbone, demeurent en tonnage les matériaux les plus utilisés dans les industries automobiles et ferroviaires en raison de leur bon rapport performances prix. Ils offrent un large spectre de propriétés d’usage découlant de leurs nombreuses variantes microstructurales obtenues par des cycles thermiques faciles à mettre en œuvre sur le plan industriel. Les configurations microstructurales de ces aciers se présentent comme des solutions potentielles de leur adaptation aux nombreux procédés de mise en œuvre et aux diverses sollicitations de service. Ceci explique le grand nombre de travaux de recherche qui sont dédiés aux aciers au carbone en général [Day ’02; Dol ’89; Dol ’88; Elw ’05; Hou ’81; Hyz ’76; Kha ’88; Mar ’76; Mar ’75; Med ’90; Mod ’01; San ’03; Sar ’97; Wag ’11; Win ’92; You ’07] et aux aciers eutectoïdes en particulier [Bay ’06; Bel ’94; Dol ’89; Dol ’88; Hyz ’76; Mar ’76; Tom ’03; Tom ’05]. Pour ces derniers, la structure perlitique et ses variantes microstructurales comme la fraction volumique de la cémentite et sa morphologie, l’espacement interlamellaire, la taille des colonies perlitiques et la taille de l’ancien grain austénitique, ont suscité le plus d’intérêt dans le sens où elles contrôlent leurs principales caractéristiques mécaniques [Lei ’07; Lei ’08; Mar ’76]. Ces variantes dépendent de la température de transformation perlitique et de la vitesse de refroidissement [Mar ’75]. C’est pourquoi, on recense dans la littérature plusieurs cycles thermiques visant des configurations microstructurales requises pour des applications spécifiques [Dol ’88; Elw ’05; Hou ’81; Hyz ’76; Mar ’76; Mar ’75; Mod ’01]. Il demeure néanmoins que la recherche d’une configuration microstructurale optimale de la perlite d’un acier au carbone est tributaire de l’identification du cycle thermique approprié en conjuguant vitesse de refroidissement et température de transformation perlitique.

Des relations empiriques, permettant des corrélations espacement interlamellaire caractéristiques mécaniques de traction pour les aciers eutectoïdes, ont été établies [Dol ’88; Hyz ’76; Mar ’76]. Cependant, l’importante sensibilité de ces relations vis-à vis des incertitudes d’évaluation de l’espacement interlamellaire et d’autres effets, relatifs à la taille de l’ancien grain austénitique ou des colonies et nodules perlitiques, rendent leur exploitation dans une démarche prédictive hasardeuse et peu fiable.

Le comportement sous charge des aciers perlitiques a fait l’objet de nombreuses études conjuguant les approches expérimentales [Bel ’94; Day ’02; Kan ’04; Shi ’06; You ’07] et les modélisations micro-mécaniques [Bel ’94; Day ’02; Ina ’04; Sch ’97] intégrant les mécanismes physiques de déformation [Dol ’88; Li ’03] et d’endommagement [Yon ’89] à diverses échelles de la matière. Cependant, les larges spectres des valeurs de cissions critiques de la ferrite τc (52 à 500 MPa) et de ses paramètres d’écrouissage H (100 à 150 MPa) accusent, sans l’établir, l’effet de l’espacement interlamellaire sur le comportement de cette phase et ses conséquences sur le comportement de la structure perlitique.

Les distributions des contraintes et des déformations dans les phases constituantes de la perlite au cours d’un chargement ont été établies par des mesures aux rayons X, au synchrotron et aux neutrons couplées au modèle auto-cohérent [Day ’02; You ’07]. Une anisotropie de comportement élastique et plastique des cristaux de ferrite a été montrée à travers les différents modules d’Young obtenus pour les différentes directions [hkl]. Cette anisotropie est à l’origine du transfert de charge de la ferrite vers la cémentite dans le domaine de déformation plastique. L’effet de l’espacement interlamellaire sur les distributions des déformations dans la ferrite et la cémentite a été étudié par Shinozaki et al. [Shi ’06] qui montrent que les déformations dans la ferrite et la cémentite augmentent lorsque l’espacement interlamellaire diminue.

COMPORTEMENT DES ACIERS AU CARBONE SOUS SOLLICITATIONS MONOTONES ET CYCLIQUES

Les aciers au carbone, présentent des structures comportant plusieurs phases imbriquées à plusieurs échelles (ferrite, perlite et cémentite), leur conférant un large spectre de propriétés sur la base de l’optimisation de leur teneur et de leur morphologie par des cycles thermiques appropriés. Ainsi, les configurations microstructurales de ces matériaux se présentent comme des solutions potentielles pour de nombreuses applications dans les industries automobiles et ferroviaires. Ceci explique le grand nombre de travaux de recherche dédiés aux aciers au carbone [Day ’02; Dol ’89; Dol ’88; Elw ’05; Hou ’81; Hyz ’76; Mar ’76; Mar ’75; Mod ’01; Wag ’11; You ’07] et particulièrement aux aciers perlitiques [Bay ’06; Bel ’94; Dol ’89; Dol ’88; Hyz ’76; Mar ’76; Mar ’75]. On recense un grand nombre de publications consacrées à l’optimisation de la microstructure de ces aciers par des cycles thermiques spécifiques, aux corrélations microstructure-propriétés d’usage [Dol ’88; Elw ’05; Hyz ’76; Mar ’76; Mar ’75; Mod ’01], aux comportements sous chargement monotone [Kan ’04; Shi ’06; Tom ’03; Tom ’05] et cyclique [Bat ’01; Bay ’06; Cha ’06 b; Dol ’89; Gar ’07; Ham ’11; Hea ’72; Kos ’10; Med ’90; San ’03; Sar ’97; Wag ’11; Win ’92; Zet ’06]. Ces études conjuguent les approches expérimentales [Bel ’94; Day ’02; Kan ’04; Shi ’06; You ’07] et des modélisations micro-mécaniques [Bel ’94; Day ’02; Ina ’04; Sch ’97] intégrant les mécanismes physiques de déformation et d’endommagement [Dol ’88; Li ’03; Yon ’89] de ces matériaux analysés à différentes échelles de la matière allant du macroscopique [Hyz ’76; Mar ’76] au nanométrique [Dol ’88; Lan ’77; Li ’06; Li ’03]. On se propose, dans ce chapitre d’analyser 75 références pertinentes couvrant les 30 dernières années de recherche pour établir les acquis de la littérature en relation avec la thématique de la thèse. Les résultats de cette étude bibliographique seront présentés dans quatre parties en adéquation avec le plan de la thèse :
– Microstructures des aciers perlitiques ;
– Influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques ;
– Comportement sous chargement monotone;
– Comportement en fatigue.

Les aciers au carbone : structures, propriétés et domaines d’application

Les aciers non alliés sont indiqués dans les diagrammes Fer-Carbone (Figure I.1) selon leurs structures d’équilibre :
– Les aciers eutectoïdes ont une teneur en carbone voisine de 0,8 % de structure entièrement perlitique (Figure I.2) ;
– Les aciers hypoeutectoïdes ont une teneur en carbone comprise entre 0,02 et 0,8 % de structure ferrito-perlitique (Figure I.3) ;
– Les aciers hypereutectoïdes ont une teneur en carbone comprise entre 0,8 % et 1,5% et une structure de perlite et de cémentite primaire (Figure I.4).

Les aciers au carbone sont fortement recommandés pour la fabrication des composants automobiles comme les vilebrequins, les bielles et les lames de ressorts grâce aux multiples avantages que présentent ces matériaux comme le bon compromis entre résistance mécanique et ductilité, bonne résistance à l’usure, durée de vie élevée en fatigue [Per ’93].

Microstructures des aciers perlitiques

Les propriétés d’usage des aciers perlitiques dépendent fortement des paramètres microstructuraux comme la taille de l’ancien grain austénitique, la taille des nodules perlitiques [Hyz ’76; Mar ’76], l’espacement interlamellaire [Hyz ’76; Kaz ’03; Lan ’77; Mar ’76], la fraction volumique de cémentite et sa morphologie [Lei ’07; Lei ’08]. Ces caractéristiques microstructurales sont contrôlées principalement par les cycles thermiques subis par l’acier au carbone après son élaboration. Plusieurs cycles sont proposés dans la littérature pour viser diverses configurations microstructurales selon les propriétés recherchées [Dol ’88; Hyz ’76; Kaz ’03; Mar ’75].

Effet de la température d’austénitisation
Il est bien connu que la température et la durée d’austénitisation des aciers au carbone ont une grande influence sur la taille de l’ancien grain austénitique d’une structure perlitique. Marder et al. [Mar ’76] montrent que la sensibilité de la taille des grains austénitiques vis-à-vis de l’austénitisation pour un acier perlitique (0,81 %) est relativement modérée entre 760 et 840° et très significative entre 900 et 1000°, domaine de température préconisé pour l’austénitisation de la plupart des aciers au carbone (Figure I.5). Il en est de même pour les tailles des nodules perlitiques qui sont associées à celles des anciens grains austénitiques. Les auteurs présentent des tailles de nodules perlitiques variant de 1 à 5,5 mm pour des tailles d’anciens grains austénitiques comprises entre 25 et 600 µm. Cependant, l’espacement interlamellaire dans les structures perlitiques, d’après les mêmes auteurs, parait indépendant de la température d’austénitisation, contrairement aux aciers hypoeutectoïdes (0,65%C) [Mod ’01] et hypereutectoïdes (0,91% C) [Elw ’05] où l’espacement interlamellaire est d’autant plus important que la température d’austénitisation est plus élevée.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I. COMPORTEMENT DES ACIERS AU CARBONE SOUS SOLLICITATIONS MONOTONES ET CYCLIQUES
I.1 Introduction
I.2 Les aciers au carbone : structures, propriétés et domaines d’application
I.3 Microstructures des aciers perlitiques
I.3.1 Effet de la température d’austénitisation
I.3.2 Effet de la température de transformation perlitique
I.3.3 Effet de la vitesse de refroidissement
I.4 Relations microstructure-propriétés mécaniques
I.4.1 Effet de la taille de l’ancien grain austénitique ou nodules perlitiques
I.4.2 Effet de l’espacement interlamellaire
I.5 Comportement sous charge des aciers perlitiques : de l’expérience à la modélisation
I.5.1 Mécanismes de déformation et d’endommagement de la perlite à travers les essais de traction « in-situ »
I.6 Modélisation micromécanique du comportement en traction de la perlite
I.7 Comportement en fatigue des aciers perlitiques
I.7.1 Limites de fatigue
I.7.1.1 Limite méga-cyclique
I.7.1.2 Limite giga-cyclique
I.7.2 Mécanismes d’amorçage et de propagation des fissures
I.8 Synthèse et orientation du sujet
CHAPITRE II. EFFET DE LA MICROSTRUCTURE SUR LES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE L’ACIER PERLITIQUE C70
II.1 Introduction
II.2 Matériau de l’étude
II.3 Traitements thermiques
II.4 Essais de caractérisation
II.4.1 Caractérisation microstructurale
II.4.2 Etat de contraintes résiduelles
II.4.3 Caractérisation mécanique
II.5 Résultats
II.5.1 Caractérisation microstructurale
II.5.2 Dureté des structures perlitiques
II.5.3 Etat de contraintes résiduelles initiales
II.5.4 Caractérisation mécanique
II.5.4.1 Limite d’élasticité et résistance mécanique
II.5.4.2 Ecrouissage
II.6 Synthèse et discussion
II.6.1 Effet du traitement thermique sur la microstructure
II.6.2 Effet de la microstructure sur les caractéristiques mécaniques de traction
II.7 Conclusion
CHAPITRE III. EFFET DE LA MICROSTRUCTURE SUR LE COMPORTEMENT MONOTONE DE L’ACIER PERLITIQUE C70
III.1 Introduction
III.2 Essais Effectués
III.2.1 Essais de traction « in-situ » sous diffraction des rayons X
III.2.2 Essais de traction « in-situ » au MEB
III.3 Résultats
III.3.1 Résultats expérimentaux
III.3.1.1 Influence de la microstructure sur le comportement sous charge de la ferrite
III.3.1.2 Influence de la microstructure sur les niveaux de contraintes résiduelles dans la ferrite après décharge
III.3.1.3Mécanismes de déformation et d’endommagement de la perlite sous chargement en traction
III.3.2 Modélisation micromécanique
III.3.2.1 Présentation du modèle auto-cohérent
III.3.2.2 Exploitation du modèle auto-cohérent
III.4 Synthèse et discussion
III.4.1 Mécanismes de déformation et d’endommagement de la perlite
III.4.2 Effet de l’espacement interlamellaire sur le comportement sous charge des constituants de la perlite
III.4.2.1 Comportement de la ferrite
III.4.2.2 Comportement de la cémentite
III.4.3 Effet de l’espacement interlamellaire sur la distribution des contraintes résiduelles induites par déformation plastique de la perlite
III.5 Conclusion
CHAPITRE IV. EFFET DE LA MICROSTRUCTURE SUR LE COMPORTEMENT GIGA-CYCLIQUE DE L’ACIER PERLITIQUE C70
IV.1 Introduction
IV.2 Essais de caractérisation des surfaces
IV.3 Essais de fatigue
IV.4 Analyse de l’endommagement en fatigue
IV.5 Résultats
IV.5.1 Qualité et intégrité des surfaces avant chargement (brut d’usinage)
IV.5.1.1 Ecrouissage superficiel induit par usinage
IV.5.1.2 Contraintes résiduelles induites par usinage
IV.5.2 Résistance à la fatigue
IV.5.3 Effet des chargements cycliques sur les caractéristiques des surfaces
IV.5.3.1 Ecrouissage cyclique
IV.5.3.2 Stabilisation cyclique des distributions des contraintes résiduelles
IV.5.3.3 Cinétique de relaxation
IV.5.4 Mécanismes d’amorçage et de propagation des fissures de fatigue
IV.5.4.1 Domaine de fatigue conventionnelle (NR<107 cycles)
IV.5.4.2 Domaine de fatigue giga-cyclique (NR>107 cycles)
IV.6 Synthèse et discussion
IV.6.1 Effet de l’espacement interlamellaire sur la limite de fatigue de l’acier perlitique C70
IV.6.2 Effet des caractéristiques stabilisées de surface sur les limites de fatigue
IV.6.3 Effet des contraintes résiduelles sur les sites d’amorçage
IV.7 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE

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