Estimation des contraintes résiduelles dues au chauffage

Les contraintes résiduelles influent énormément sur la tenue en service des pièces. En effet, elles favorisent (ou non) la tenue à la corrosion, l’apparition de microfissures, la tenue en fatigue, … L’UAL en chauffant la pièce et en modifiant les sollicitations mécaniques pendant l’usinage (effort de coupe) conduit à des contraintes résiduelles qui peuvent être différentes de l’usinage conventionnel. De plus, ce procédé peut effectuer un traitement thermique de

Vue de dessus

Spot laser Déplacement du spot

Vue de dessus

Spot laser Déplacement du spot

Déplacement du spot Spot laser

surface pendant l’opération d’usinage ce qui conduit aussi à modifier fortement le champ des contraintes résiduelles. Ce chapitre explique sommairement l’apparition des contraintes résiduelles suivant les différentes sollicitations (mécanique, thermique et métallurgique). Une simulation numérique du chauffage laser a aussi été réalisée pour mieux connaître les zones soumises aux contraintes.

C.4.1. Principe de formation des contraintes résiduelles

Les contraintes résiduelles sont des contraintes multiaxiales statiques qui existent dans un matériau qui n’est soumis à aucune sollicitation extérieure. Les contraintes sont en équilibre mécanique dans le matériau. Les origines des contraintes résiduelles sont très variées, mais elles peuvent être classées en trois catégories : les contraintes d’origine mécanique, d’origine thermique et métallurgique. En général, lors d’un chargement complexe (thermomécanique par exemple) il y a superposition des contraintes résiduelles engendrées par les différents mécanismes. L’usinage comprend un chargement mécanique exercé par l’outil sur la pièce et un chargement thermique par l’échauffement de la zone de coupe et notamment au niveau de la zone ZIII (frottement outil/pièce).

Une sollicitation d’origine mécanique, entraîne des contraintes de compression en surface. En effet, la couche superficielle subit une déformation plastique en traction, alors que la couche inférieure reste dans le domaine élastique. Au moment du relâchement, la décharge élastique de la couche superficielle se réalise d’où la présence de contraintes résiduelles de compression en surface (Fig. 68a). La figure (Fig. 68a) permet de visualiser les déformations des différentes couches qui conduisent au profil d’évolution des contraintes résiduelles en profondeur. La figure suivante (Fig. 68b) montre le trajet de chargement pour une sollicitation uniaxiale en traction (trajet 0-1) suivi d’un déchargement élastique (trajet 1-2).

(a) (b)

Fig. 68. (a) Déformation des couches lors d’une rectification en absence d’échauffement [Lu_03] et (b) Trajet de chargement / déchargement lors d’une sollicitation en traction

Contrairement à l’effet mécanique, les contraintes résiduelles en surface engendrées par effet thermique sont en traction. En effet, lors de l’échauffement la couche superficielle se dilate mais elle est bloquée par la couche inférieure. Elle est alors comprimée tandis que la couche inférieure reste dans le domaine élastique. Au moment du refroidissement, la décharge élastique de la couche superficielle se produit conduisant à des contraintes résiduelles de

σ (Mpa) ε Contrainte résiduelle 0 1 2 Courbe de traction du matériau Trajet de chargement / déchargement

traction. (Fig. 69a). La figure (Fig. 69a) permet de visualiser les déformations des différentes couches qui conduisent au profil d’évolution des contraintes résiduelles en profondeur. La figure suivante (Fig. 69b) montre le trajet de chargement pour une sollicitation uniaxiale en traction (trajet 0-1) suivi d’un déchargement élastique (trajet 1-2).

(a) (b)

Fig. 69. (a) Déformation des couches lors d’un chauffage en surface [Lu_03] et (b) Trajet de chargement / déchargement lors d’une sollicitation en compression

Lors d’un changement de phase, les contraintes résiduelles dépendent du changement de volume de la microstructure. Par exemple, pour un acier refroidi rapidement après un chauffage à une température supérieure à la température d’austénisation, il y a création de martensite. Le changement de phase martensitique s’accompagne d’une augmentation de volume. Dans ces conditions, si une couche martensitique est créée en surface, et que la couche inférieure ne subit aucun changement de phase, alors des contraintes résiduelles en compression apparaissent dans la couche martensitique.

C.4.2. Estimation des contraintes pendant le chauffage et après le refroidissement

Une simulation numérique a été mise en place sur le logiciel Abaqus® pour connaître précisément les zones sollicitées et les niveaux de contraintes résiduelles atteints après un tir laser sur une pièce. La modélisation de la pièce a été réalisée par des éléments quadrilatères axisymétriques. Elle a une forme cylindrique de diamètre 5 mm et de hauteur 2,5 mm. Une température initiale de 20 °C a été imposée. La température de la surface inférieure a été maintenue à 20 °C. Les propriétés du matériau correspondent à celle du 42CrMo4 (voir annexe). Le tir laser a été modélisé par un flux thermique sur une surface de diamètre 0,8 mm d’une valeur de 3,3.108 W.m-2 pendant un temps de 1 ms. Le flux thermique immobile a été placé au centre de la pièce. La valeur du flux thermique correspond à une densité de puissance de 620 W sur la surface du spot. Le temps d’interaction est de l’ordre de grandeur de celui rencontré en UAL avec une vitesse de déplacement d’environ 1 m.s-1. Puis une seconde étape d’une durée de 1 s a été réalisée pour simuler le refroidissement de la pièce. Les changements de phases non pas été pris en compte dans cette simulation. A l’état initial (au début du tir), la pièce n’avait aucune contrainte et elle avait une température homogène de 20 °C. A la fin du tir laser et à la fin du refroidissement, les valeurs du champ de température et des champs des contraintes normales sont regroupées dans le tableau suivant (Tableau. 4).

σ (Mpa) ε 0 1 2 Courbe de traction du matériau Trajet de chargement / déchargement Contrainte résiduelle

r θ z

Fin du tir laser Fin du refroidissement

Champ de température (°C)

(a) (a’)

Champ des contraintes σrr

(Pa)

(b) (b’)

Champ des contraintes σθθ

(Pa)

(c) (c’)

Champ des contraintes σzz

(Pa)

(d) (d’)

Tableau. 4 Champs de températures et de contraintes après un tir laser, et après le refroidissement de la pièce

A la fin du tir laser, la température maximale (1100 °C) reste inférieure à la température de fusion du matériau (a). La pièce est chauffée à une température supérieure à 50°C sur un diamètre de 1,2 mm et sur une profondeur de 0,26 mm. La zone chauffée se dilate mais elle est bloquée par le pourtour resté froid. Des contraintes de compression apparaissent au niveau de la zone chauffée. Les maximums des contraintes sont calculés a -639 MPa pour σrr (b), -32 MPa pour σθθ (c) et, -662 MPa pour σzz (d). Les contraintes σθθ restent faibles devant les contraintes dans les autres directions. Les contraintes maximales se situent en périphérie de la zone la plus chaude. En effet, pour les zones les plus chaudes la baisse de la contrainte d’écoulement induit une diminution des contraintes admissibles par le matériau. Les contraintes au centre du faisceau laser sont donc inférieures aux contraintes maximales. Les valeurs relevées sont de -320 MPa pour les contraintes σrr et σzz. Pour respecter l’équilibre mécanique de la pièce, des contraintes de traction apparaissent sur les bords et en profondeur de la pièce. Les maximums des contraintes de traction σzz et σrr sont atteintes au même point qui se situe sur l’axe du faisceau à une profondeur de 0,4 mm et ont une valeur identique de 105 MPa. Les valeurs atteintes par les contraintes de traction restent dans le domaine élastique du matériau.

A la fin du refroidissement, la température (a’) redevient homogène avec une valeur de 20°C. Le refroidissement de la zone chauffée conduit à de fortes contraintes résiduelles de tractions. Une zone de très forte contrainte d’un diamètre d’environ 0,7 mm se situe sur la partie centrale de la pièce avec une profondeur d’environ 20 µm. Dans cette zone les contraintes σzz (d’) et σrr (b’) ont une valeur d’environ 940 MPa. Les couches inférieures sont soumises à des contraintes de compression (équilibre mécanique) qui ne dépassent pas 240 MPa.

C.4.3. Conclusion

Après un rappel sur la formation des contraintes résiduelles suivant les différents types de sollicitations (mécanique, thermique et métallurgique) une étude a été réalisée pour estimer le niveau des contraintes créées par un tir laser (changement de phase négligé). Le chauffage laser provoque donc de fortes contraintes résiduelles de traction qui se situent au niveau de la zone chauffée. Cette constatation laisse présager des contraintes résiduelles plus en traction en UAL que celles observée en usinage conventionnel. D’autant plus qu’avec la diminution de l’effort de coupe, l’effet mécanique de l’outil qui induit des contraintes de compression, sera plus faible en UAL.

D. Traitement thermique de surface par chauffage laser