Analyse de la microstructure de la surface usinée

Les opérations d’usinage affectent la surface usinée car le chargement thermomécanique dû à

la coupe entraine de la déformation plastique, des contraintes résiduelles, des transformations

de phases, et une modification de la dureté superficielle. Ces grandeurs caractérisent l’intégrité

de surface qui est un paramètre clé pour les industriels. L’intégrité de surface est intimement

liée aux modifications de la microstructure du matériau. L’usinage entraine une déformation

plastique intense qui dépend des conditions de coupe. Puerta-Velazquez et al. [35] ont étudié

l’influence de la vitesse de coupe sur la microstructure de la surface usinée de l’alliage

Ti-6Al-4V. Ils ont identifié 3 zones différentes en subsurface du matériau usiné, (Figure I. 24(a)) :

- Une zone P₁ qui correspond au matériau initial qui n’est pas affecté.

- Une zone P2peu déformée.

(a) (b)

Figure I. 24. Microstructure d’une surface usinée de Ti-6Al-4V Vc=260m/min, f=0,12mm/tr,[35].(a) les trois

zones en subsurface. (b) Zoome sur la zone fortement déformée.

Ils sont observés entre autres que l’épaisseur de la zone P3 augmente avec la vitesse de coupe

(Figure I. 25(a)). L’épaisseur totale déformée plastiquement (P2+P3) augmente avec la vitesse

de coupe, variant de 5μm à 20m/min jusque 35μm à 420m/min. En étudiant l’évolution des

contraintes résiduelles (Figure I. 25(b)), ils ont pu observer des changements très importants

qu’ils ont associés à l’épaisseur de la zone P3.

(a) (b)

Figure I. 25. Influence de la vitesse de coupe sur l’intégrité de surface du Ti-6Al-4V. (a)- Évolution de la taille

de la zone déformée plastiquement sous la surface usinée. (b)- Évolution des contraintes résiduelles [35].

Ginting et Nouari [36] ont étudié l’intégrité de surface suite à l’usinage d’un alliage de titane

Ti-6242. Ils ont réalisé des essais de tournage orthogonal pour deux vitesses de coupe (100 et

125m/min) et deux vitesses d’avance (0,15 et 0,2mm/tr), et ont observés que la surface était

affectée jusqu’à 350μm sous la surface usinée en mesurant la dureté de la subsurface usinée,

Figure I. 26. Jusque 100μm la subsurface a une dureté plus faible que celle du matériau initial

due à un adoucissement que les auteurs ont attribué au vieillissement du matériau. D’une

profondeur de 100μm à 350μm, la subsurface a une dureté plus élevée que celle du matériau

initial qui a été attribué à l’écrouissage du matériau. En outre, Ginting et Nouari [36] ont fait

remarqué que la modification de la dureté du matériau pourrait éventuellement être attribuée à

une modification de la taille de grain et donc à de la recristallisation.

Figure I. 26. Évolution de la dureté sous la surface usinée du Ti-6242 [36].

Che-Haron et Jawaid [4] ont observé l’évolution de la dureté en subsurface d’une pièce en

Ti-6Al-4V usinée en tournage. Ils ont réalisé des essais avec différents paramètres d’usinage, pour

une vitesse de coupe variant de 45 à 100m/min, des vitesses d’avance de 0,25 et 0,35mm/tr et

une profondeur de coupe de 2mm. Ils ont observé que la dureté a été modifiée jusqu’à 0,5mm

en dessous de la surface. Leurs résultats donnent une augmentation de la dureté sur les 10

premiers micromètres où la déformation plastique est la plus élevée. Puis une baisse de la dureté

attribuée à du vieillissement dû à la hausse de température subie par le matériau. Ensuite la

dureté augmente à nouveau du fait de l’écrouissage avant de s’atténuer peu à peu pour retrouver

les caractéristiques du matériau initial. Les 10 premiers micromètres apparaissant en blanc au

MEB (Figure I. 27) constituent une couche communément appelée couche blanche dont la

microstructure n’est pas bien définie. La couche blanche est observée pour d’autres matériaux

comme l’acier, elle est le siège de transformations de phase et de recristallisation. Dans le cas

du titane, les transformations sont mal connues et mal définies. Contrairement à Che-Haron et

Jawaid [4] et Ulutan et Ozel [5], Puerta-Velasquez et al. [35] ont remis en cause l’existence de

cette couche blanche après plusieurs analyses de la microstructure de l’alliage de titane

Ti-6AL-4V.

(a) (b)

Figure I. 27. Microstructure de la surface usinée du Ti-6Al-4V. (a) Vc=100m/min et f=0,25mm/tr.

(b) Vc=45m/min et 0,35mm/tr [4].

Arisoy et Ozel [37] ont étudié l’évolution de la taille de grain à la surface usinée de l’alliage

Ti-6Al-4V soumis à différentes conditions de coupe (VC=55 et 90m/min et f =0,1 et

0,05mm/tr) et ont observés une modification de la taille de grains. La microstructure initiale

présentait des grains de 15μm. Suivant les conditions de coupe, ils ont observé un grossissement

ou un raffinement des grains. La Figure I. 28 montre un raffinement de la taille de grain observé

pour une vitesse de coupe de 55m/min et une avance de 0,05mm/tr. Ce changement de la taille

de grain est dû à un phénomène de recristallisation dynamique. Leurs observations ont aussi

montré pour certaines conditions un grossissement des grains qui évoque le processus de

restauration dynamique.

Figure I. 28. Taille de grain de la surface usinée du Ti-6Al-4V Vc= 55m/min, f=0,05mm/tr [37].

La modélisation de l’usinage permet d’étudier les phénomènes physiques de la coupe et leurs

interactions, d’accéder à des grandeurs difficiles à obtenir expérimentalement. Il est alors

possible d’analyser le processus de formation de copeaux, l’évolution de la température, la

déformation plastique ou encore les paramètres microstructuraux comme la densité de

dislocations et la taille des grains dans la pièce usinée. La modélisation a aussi pour but

d’expliquer certains couplages complexes comme le couplage entre la plasticité,

l’endommagement et la recristallisation dynamique, et son effet sur le comportement du

matériau pendant l’usinage. Un modèle robuste qui tiendrait compte de tous ces aspects pourrait

donner alors une optimisation fiable et précise de ce procédé. Cependant, l’état de l’art actuel

de l’usinage des alliages de titane montre un manque important dans la prise en compte des

phénomènes microstructuraux dans les modélisations numériques.