Quels sont les mécanismes induisant des contraintes résiduelles ?

Comme cela a été montré précédemment, les contraintes résiduelles sont une des composantes principales de l’intégrité de surface. Les contraintes résiduelles sont celles

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nitruration engendre des contraintes résiduelles d’origine chimique. Bien que les contraintes résiduelles d’origine mécanique et chimique soient générées par différents mécanismes, elles peuvent apparaître simultanément. Dans le cas d’un chargement thermo mécanique important, des contraintes mécaniques apparaissent mais en raison des changements de phases, des contraintes d’origine chimique due au changement de phases peuvent aussi être observées [Liu1982].

Comme il a été montré, la génération des contraintes résiduelles est une combinaison d’effets mécaniques, thermiques et chimiques.

1.3.1 Effets mécaniques

Dans le cas du tournage, les effets mécaniques sont générés par les fortes pressions locales mises en jeu autour du rayon d’arête de l’outil, au niveau de la zone de cisaillement primaire et tertiaire. Pendant une opération d’usinage, la couche supérieure de la pièce est déformée plastiquement en compression en amont de l’arête de coupe puis subit une deuxième sollicitation en traction, cette fois-ci, en aval de la zone de coupe.

Les étapes de formation des contraintes résiduelles d’origine mécanique sont illustrées, à titre d’exemple, par le graphe suivant (figure 1.10) tracé dans le repère des déformations et contraintes (cas uniaxial). Cet exemple suppose que la matière plastifie à chaque sollicitation. Le tronçon OAB représente la phase de charge en compression, le tronçon BCD la phase de décharge, le tronçon DE la phase de charge en traction et le tronçon EF le retour à une déformation nulle imposée par le substrat.

Ce cycle de chargement illustre schématiquement la manière dont sont obtenues les contraintes résiduelles de compression après un chargement mécanique.

1-Contexte

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Figure 1.10 : Illustration du chargement mécanique induit pendant la coupe.

Ce cycle de chargement diffère en fonction de la profondeur où se situe la matière ce qui génère un gradient de la contrainte dans le sens de la profondeur. Cette explication n’est que schématique puisque dans la réalité les phénomènes sont tridimensionnels et dépendent des conditions limites imposées par le reste de la matière constituant la pièce [Mahdi1999].

1.3.2 Effets thermiques

Les effets thermiques agissent de la même manière que les effets mécaniques en faisant subir à la couche supérieure un cycle de chargement généré par les phases de dilatation et de contraction de la matière sous l’effet de la chaleur. En tournage, les deux principales zones de chargement thermique susceptibles d’affecter la matière de la pièce usinée se situent de part et d’autres de l’arête de coupe. Sur la courbe suivante (figure 1.11), le tronçon OAB représente la mise en compression locale de la matière sous l’effet de l’échauffement dû aux deux sources de chaleur. Le tronçon BCD représente le retour à une déformation nulle.

Les forts gradients de température, dus aux mouvements des sources thermiques et aux conditions limites, gênèrent de forts gradients de déformation qui font apparaître localement des zones plastifiées. La figure 1.13 illustre ces phénomènes.

compression traction

σ

chargements O A B C D E F Outil Copeau

traction compression Vitesse de la matière couche supérieure de la pièce Contrainte O A B C D Déformation E F

Evolution des contraintes pendant la coupe

Evolution des contraintes dans le repère contrainte/déformation

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Figure 1.11 : Illustration du chargement thermique induit pendant la coupe.

Les chargements thermiques provoquent aussi des modifications au niveau des propriétés physiques et mécaniques du matériau en diminuant, par exemple, les valeurs du module de Young ou bien en augmentant la conductivité thermique [Mahdi1998] ce qui joue un rôle sur le processus de génération de contraintes résiduelles en abaissant la valeur de la limite d’élasticité.

1.3.3 Effets d’origine métallurgique

Les effets d’origine métallurgique sont indissociables des effets d’origine thermique. En effet, lorsque la matière usinée est soumise à des hausses de température, dans certains cas, des transformations de phases apparaissent. Ces transformations de phases ont pour effets :

Une modification locale des propriétés thermiques (coefficient de dilatation, conductivité thermique..),

Une modification locale des propriétés mécaniques (dureté, limite d’élasticité,..) de la matière usinée, Un changement de structure. compression Évolution de la contrainte sous les chargements F compression O A B C A B

Evolution des contraintes pendant la coupe

Evolution des contraintes dans le repère contrainte/déformation

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Le graphe suivant (figure 1.12) présente un exemple de la proportion de chacune des phases rencontrées dans la profondeur d’une pièce en acier après usinage et refroidissement.

Figure 1.12 : Evolution des proportions de phases en sous-couche suite à une opération de rectification [Brosse2009].

A l’origine, la matière est constituée de ferrite mais, sous l’action du cycle thermique, il est possible d’obtenir de la martensite et de l’austénite en sous-couche à température ambiante. Il en résulte donc un changement de structure cristalline, et donc de volume, dans la profondeur de la pièce puisqu’il est possible de rencontrer une structure cubique face centrée pour l’austénite et la martensite alors que la ferrite est de type cubique centré. L’interprétation des contraintes résiduelles obtenues, suite à ces transformations, reste toutefois très compliquée car ces phénomènes rentrent en compétition avec les phénomènes purement thermiques. Cependant, dans certains cas, l’application d’un chargement purement thermique peut conduire à des contraintes résiduelles de compression.

Les explications présentées dans ce paragraphe ont pour but de comprendre pourquoi des contraintes résiduelles apparaissent mais sont très loin de la complexité du phénomène réel. En effet, les sollicitations mécaniques, thermiques et chimiques ont lieu simultanément et un couplage tridimensionnel de ces trois phénomènes est très difficile à appréhender même qualitativement [Brosse2007].

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Figure 1.13 : Description du tournage. 1.4.2 Les paramètres de coupe

Les paramètres de coupe sont les grandeurs que l’on peut régler lors d’une opération de coupe. Ils conditionnent les phénomènes mécaniques mis en jeu au cours de la coupe et sont à l’origine des puissances mécaniques et thermiques dissipées. Les principaux paramètres de coupe sont : la vitesse de coupe, la profondeur de passe et l’avance.

1.4.2.1 La vitesse de coupe

La vitesse de coupe est la vitesse relative entre l’arête de coupe de l’outil et la matière enlevée. Elle se note Vc et s’exprime en m.min-1. Elle dépend de la vitesse angulaire de la pièce ω (rad.s-1) et du diamètre D de la pièce (m) :

(1.1)

La vitesse de coupe est un paramètre clef en tournage. Elle conditionne la productivité, l’usure de l’outil, la puissance totale mise en jeu et l’état de surface de la pièce usinée. 1.4.2.2 La profondeur de passe

La profondeur de passe, notée ap (mm), est la profondeur de laquelle s’enfonce l’outil dans la matière. Elle correspond à la différence entre le rayon initial de la pièce et le rayon après usinage (figure 1.14).

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Figure 1.14 : Description de la profondeur de passe. 1.4.2.3 L’avance

L’avance, notée f (mm.tr-1) correspond au mouvement axial de l’outil au cours de l’usinage entre deux tours. C’est la valeur de laquelle se déplace axialement l’outil à chaque tour (figure 1.15).

Figure 1.15 : Description de l’avance. 1.4.2.4 La géométrie d’outil

En ce qui concerne cette étude, l’influence de l’acuité d’arête Rβ sera étudiée. Il ne faut pas confondre ce rayon d’arête avec le rayon de bec R_ε (figure 1.16).

a_p V_c Surface au tour N Surface au tour N+1

f

V

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Figure 1.16 : Description du rayon de bec et du rayon d’arête.