Soutenance mémoire
Dans le procédé de la fonderie d’aujourd’hui, c’est devenu primordial de produire des pièces ayant de bonnes propriétés d’emploi tel que la résistance aux différents types de sollicitations mécaniques, thermique et chimique. Parmi tous les alliages métalliques, les aciers constituent une classe exceptionnelle par la diversité des nuances et de leurs applications dans les domaines industriels les plus divers comme les industries mécaniques, agricole, automobiles, pétrolières, aéronautique etc. L’acier austénitique au manganèse est un acier dédié aux applications à taux de dégradation (usure) importants alimentées par des matériaux durs [1,2]. La stabilité structurale des aciers au manganèse est tributaire de leur composition chimique ainsi que des sollicitations mécaniques ou thermiques auxquelles ils sont soumis [3].
L’addition d’éléments d’alliage procure à l’acier des caractéristiques supplémentaires. Il existe plusieurs aciers alliés, parmi lesquels l’acier au manganèse communément appelé acier Hadfield, utilisé dans diverses industries. Cet acier est employé dans des équipements manipulant et traitant les matériaux tels que des broyeurs de roche, des moulins de meulage et des dents de pelle à puissance et des pompes pour manipuler le gravier et les roches. D’autres applications incluent des marteaux de concassage de clinker et des applications militaires telles que les équipements qui exigent des garnitures anti balle. Une autre utilisation importante de cet acier est rencontrée dans le domaine ferroviaire (aiguilles de chemin de fer) où l’impact de roue aux intersections des rails est notamment sévère. Dans le domaine automobile, l’acier au manganèse trouve aussi une importante application dans les pignons de vitesses. L’acier étudié est un acier austénitique contenant 1.2% de carbone et 12% à 14% de manganèse. Il combine dureté et ductilité avec une capacité de durcissement en service très élevée et une bonne résistance à l’usure après écrouissage. Cet acier dispose de certaines caractéristiques qui tendent à limiter son utilisation. Il est difficile à usiner et caractérisé par une limite élastique variant entre 345 et 415 MPa. En conséquence, il n’est pas bien adapté aux pièces qui exigent une haute tolérance d’usinage ou qui doivent résister à des déformations plastiques, une fois fortement soumis à des contraintes en cours de service. Cependant, le choc en cours de service, la pression lors de l’écrasement des matières dans les concasseurs à mâchoires et la rotation à froid ayant lieu lors du contact roue de trains et rails constituent des précurseurs favorisant un écrouissage superficiel induisant une augmentation des propriétés de l’acier au niveau de la surface. C’est dans ce contexte que réside l’opportunité du développement d’emploi de cet acier. Ce dernier est susceptible d’acquérir une grande dureté, car il commence à modifier sa structure superficielle sous l’action des efforts subis qui induisent un changement des caractéristiques mécaniques d’une façon remarquable se traduisant par une augmentation de la dureté superficielle sans aucun traitement thermique ou thermochimique. Cette propriété ne se rencontre pas dans certains autres aciers.
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
L’histoire de l’évolution technologique des civilisations est d’ailleurs strictement liée au développement des alliages à base de fer et au degré de faciliter de leur élaboration. Cette importance technologique repose sur plusieurs facteurs tels que :
• Les composés contenant du fer existent en grandes quantités dans la croûte terrestre ;
• L’extraction, l’affinage, l’obtention des alliages et la fabrication du fer métallique et des aciers alliés sont relativement peu coûteux ;
• une grande souplesse d’emploi, car on peut le façonner de manière à obtenir une grande variété de propriétés mécaniques et physiques, notamment en recourant aux traitements thermiques et à l’addition d’éléments d’alliage, ce qui permet de les adapter aux exigences de fabrication et d’utilisation les plus diverses.
En termes de performance, les constructions en acier offrent une excellente résistance mécanique (résistance à la torsion, traction etc..) et permettent de travailler sous fortes contraintes. L’acier garantit aussi une excellente longévité aux constructions.
Alliages fer-carbone
Les fontes et les aciers sont des alliages de fer (Fe) avec du carbone (C) et d’autres éléments divers. Certains étant des impuretés inévitables alors que d’autres sont ajoutés délibérément. Le carbone exerce l’effet le plus significatif sur la microstructure du matériau et sur ses propriétés. Les aciers contiennent en général moins de 1 % de carbone en poids. Les aciers de construction contiennent moins de 0,25 % de carbone. L’autre principal élément d’alliage est le manganèse et en quantité n’excédant pas environ 1,5 %. D’autres éléments d’alliage sont le chrome (Cr), le nickel (Ni), le molybdène (Mo) etc. Les autres éléments tels que le soufre (S), le phosphore (P) et l’hydrogène (H) ont généralement un effet négatif sur les propriétés de l’acier, de ce fait des mesures sont prises durant le processus d’élaboration afin de les réduire [1].
Généralités sur les aciers
Les aciers, alliages Fe-C à teneur inférieure à 2 % C, ont des microstructures qui correspondent toujours aux équilibres du diagrammeFe-Fe3C . Ils traversent tous le domaine monophasé γ au cours de leur refroidissement et contiennent à l’équilibre une plus ou moins grande proportion du mélange eutectoïde lamellaire (α + Fe3C) formé en E1, appelé perlite .
Caractéristiques fondamentales des aciers
Le fer métallique existe sous deux formes cristallines:
1) Le fer cubique centré, stable au-dessous de 910°C (fer α) et au-dessus de 1400°C (fer δ) ;
2) Le fer cubique à face centré, stable entre 910°C et 1400°C (fer γ). Les solutions solides dans le fer γ sont appelées austénites [3].
La solubilité des éléments d’alliages diffère d’une forme allotropique du fer à une autre. Ceci entraîne l’existence des domaines de transformations très différentes en présence d’éléments d’addition. Dans le fer pur, le passage du fer α au fer γ se produit à une température bien définie. La présence d’un élément d’addition provoque l’apparition d’un domaine plus au moins étroit dans lequel les deux variétés allotropiques peuvent coexister en équilibre .
Les diagrammes d’équilibre fer carbone permettent de classer les éléments d’addition en deux types :
1) Eléments stabilisateurs d’austénite ou gammagène (type A);
2) Eléments stabilisateurs de ferrite ou alphagène (type B).
Les éléments de type A élargissent le domaine de stabilité de l’austénite en abaissant la température de transformation α ↔ γ et en élevant la température de transformation γ ↔ δ. La région biphasée (γ + δ) atteint le domaine de fusion. Le domaine (α + γ) est déporté vers la température ambiante sous l’action de certains éléments (exemple : Mn, Ni, Co) . Les éléments de type B rétrécissent le domaine de stabilité de la phase γ et, finalement, la suppriment à certains taux (exemple Si, Cr, Mo, V, Ti, Al etc.) .
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Table des matières
INTRODUCTION
II. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
II.1. Introduction
II.2. Alliages fer-carbone
II.2.1. Diagrammes de phases fer – carbone
II.3. Généralités sur les aciers
II.3.1. Caractéristiques fondamentales des aciers
II.3.2.Différents types d’acier
II.3.2.a. Acier au carbone
II.3.2.b. Aciers alliés
Aciers inoxydables
II.3.3. Aciers austénitiques au manganèse
II.4. Action des éléments d’alliage
II.4.1. Effet du manganèse
II.4.2. Effet du nickel
II.4.3. Effet du chrome
II.4.4. Action combinée du nickel et du chrome
II.4.5. Effet du molybdène
II.4.6. Effet du niobium
II.5. Principe de répartition des éléments d’addition
II.5.1.Tendances générales de répartition des éléments d’additions
II.5.2. Répartition des éléments d’addition dans les aciers austénitisé
II.6. Microstructure des aciers alliés
II.6.1. Matrice
Ferrite
Perlite
Austénite
Bainite
Martensite
Troostite
II.6.2. Carbures
II.6.3. Modes de dispersion des carbures dans la matrice
II.7. Traitement thermique
II.7.1. Généralités
II.7.2. Différents types de traitements thermiques
a. Trempe
b. Revenu
c. Recuit
II.7.3 Traitement thermique des aciers fortement alliés austénitiques
II.8. Usure des aciers
II.8.1. Types de l’usure
Usure par frottement
Usure par abrasion
II.9. Durcissement par écrouissage des aciers austénitiques au manganèse
III.TECHNIQUES EXPERIMENTALES
III.1. Coulés des échantillons
III.2. Analyse chimique
III.3. Traitement thermique
III.4. Etude métallographique
III.4.1. Préparation des échantillons
III.4.2. Microscopie optique
III.5. Microscopie électronique à balayage MEB
III.6. Diffraction des Rayons X
III.7. Microdureté 61
III.8. Essai de dureté
III.9. Usure
III.9.1. Usure par frottement
III.9.2. Usure par impact
III.10. Essais d’écrouissage
IV. RESULTATS ET DISCUTIONS
IV.1. Métallographie
IV.2. Microscopie électronique à balayage
IV.3. Microanalyse X par EDS
IV.4. Diffraction par les rayons X
IV.5. Dureté
IV.6. Microdureté
IV.7. Essais d’usure
IV.7.1. Usure par frottement
IV.7.2. Usure par impact
IV.8. Écrouissage
V.CONCLUSION GENERALE
VI. BIBLIOGRAPHIE
VII. ANNEXES
