La couche de diffusion

Des profils de fraction de cémentite ont été réalisés sur coupes transverses des nuances 34CrMo4, 33CrMoV12-9 et 40CrMoV13-9. La cémentite est révélée sous forme de fins liserés blancs au sein d’une matrice de couleur noire après deux attaques chimiques successives : la première au nital 3 % suivie d’une seconde au métabisulfite de sodium Na2S2O5 (figure 3.14).

Une analyse d’images par l’intermédiaire du logiciel ImageJ permet de déterminer les profils de fraction surfacique de cémentite au sein de la couche de diffusion. Cette méthode n’ayant pas été optimisée pour des analyses quantitatives, les résultats sont utilisés afin de connaître la répartition et l’évolution de la précipitation de cémentite en fonction de la profondeur.

Fig. 3.14 – Micrographie optique d’une surface nitrurée après attaques chimiques successives aux nital 3 % et métabisulfite de sodium Na2S2O5 dans le cas de la nuance 33CrMoV12-9 nitrurée

48 h à 520 ˚C.

Les figures 3.15, 3.16 et 3.17 donnent les évolutions de la fraction surfacique de cémentite en fonction de la profondeur pour les trois nuances étudiées. Les profils de contraintes résiduelles dans la matrice ferritique sont mis en parallèle. Ces trois exemples montrent la présence d’un gradient de cémentite, et donc d’un gradient de concentration en carbone suivant la profondeur.

Fig. 3.15 – Profils de fraction surfacique de cémentite et de contraintes résiduelles dans la matrice ferritique en fonction de la profondeur de la nuance 34CrMo4 nitrurée 48 h à 520 ˚C.

Fig. 3.16 – Profils de fraction surfacique de cémentite et de contraintes résiduelles dans la matrice ferritique en fonction de la profondeur de la nuance 33CrMoV12-9 nitrurée 48 h à 520 ˚C.

Fig. 3.17 – Profils de fraction surfacique de cémentite et de contraintes résiduelles dans la matrice ferritique en fonction de la profondeur de la nuance 40CrMoV13-9 nitruré 48 h à 520 ˚C.

Il se caractérise par un maximum de cémentite qui se trouve à une profondeur voisine de celle du maximum de contraintes résiduelles.

Des discontinuités sont présentes sur ces profils, notamment dans le cas de l’acier de nuance 33CrMoV12-9. Il s’agit d’artefacts liés à la méthode employée : reconstruction des images, at- taques chimiques non homogènes ou encore profondeurs d’analyses ayant peu de joints de grains parallèles à la surface. La cémentite sera également d’autant plus difficile à mettre en évidence que les analyses seront proches du front de diffusion de l’azote, c’est à dire que la fraction de cémentite diminue.

Toutefois, l’hypothèse selon laquelle la fraction maximale de cémentite serait voisine de la profondeur du maximum de contraintes résiduelles est vérifiée. Une relation entre cette précipi- tation, par conséquent la diffusion de carbone, et l’état de contraintes résiduelles existe au cours du traitement de nitruration.

On peut également remarquer une redistribution des contraintes résiduelles lorsque la fraction de cémentite évolue, notamment en proche surface. Ainsi dans le cas de la nuance 34CrMo4, une diminution des contraintes résiduelles de l’ordre de 50 MPa correspond à une diminution de la fraction de cémentite de l’ordre de 1 %. entre 50 et 200 µm de profondeur. La nuance 33CrMoV12- 9 donne une diminution de 1,2 % de la fraction de cémentite pour une diminution d’environ 200 MPa des contraintes résiduelles. Dans le cas de la nuance 40CrMoV13-9, une variation d’environ 2 % de la fraction de cémentite est observée pour une diminution d’environ 220 MPa des contraintes résiduelles entre 50 et 175 µm de profondeur.

Par ailleurs, bien que la méthode n’est point été optimisée pour une étude quantitative, les niveaux de fraction de cémentite entre ces trois échantillons sont relativement différents, le plus important étant obtenu pour la nuance 40CrMoV13-9 avec 2 % à 50 µm et environ 3,75 % à 175 µm. La fraction de carbone relarguée au sein de la matrice au cours du traitement suite à la transformation des carbures en nitrures est donc différente pour chaque échantillon. En outre, la principale différence entre ces trois échantillons d’après les calculs thermodynamiques (cf. annexe A.1) se trouve être la teneur en éléments d’alliage (Cr+Mo+V+Mn) en solution solide (0,71 %at. pour la nuance 34CrMo4, 1,84%at. pour la nuance 33CrMoV12-9 et 1,66%at. pour la nuance 40CrMoV13-9) et la fraction molaire initiale de carbures (6,00%mol., 5,93%mol. et 7,41%mol. respectivement).

La redistribution des contraintes résiduelles est donc d’autant plus marquée que la distribu- tion de cémentite en fonction de la profondeur est importante. Ces résultats indiquent donc une augmentation des contraintes de compression avec la diffusion du carbone ou la décarburation de la surface. Comme nous l’avions déduit des recherches bibliographiques, ces résultats mettent en évidence la compétition entre les cinétiques de diffusion des atomes d’azote et transformation des carbures. Ces cinétiques semblent s’équilibrer avec la teneur en éléments d’addition. En ef- fet, plus cette teneur sera importante, plus les atomes d’azote seront réactifs en proche surface, diminuant la cinétique de diffusion tout en permettant la réaction de ceux-ci avec les éléments d’alliage présents au sein des carbures de revenu. Enfin, il ne semble point s’agir d’une activation du phénomène de diffusion mais plutôt d’une activation de court-circuits de diffusion. La diffusion des atomes de carbone, activée par le gradient de potentiel chimique d’azote, est court-circuitée par l’activation d’une diffusion intergranulaire perpendiculaire à l’axe de nitruration, c’est-à-dire suivant les directions où les contraintes résiduelles de compression sont maximales.