2.2 Étude des mécanismes d’abrasion de l’HSS
2.2.2 Protocole expérimental et conditions d’essai
a. Mise en œuvre de l’essai de rayage : scléromètre à basse vitesse
La mise en œuvre d’un essai de rayage dépend beaucoup de l’échelle à laquelle on travaille. Elle
peut être menée sur diverses machines commerciales équipées d’indenteurs, et selon la pénétration
de ce dernier, qui peut aller de quelques nanomètres jusqu’à quelques millimètres, on parle des
nano-indenteurs à l’échelle microscopique et des machines de scrach testingà l’échelle macroscopique.
Au sein du LTDS, l’étude du rayage à basse vitesse appelée aussi sclérométrie à basse vitesse est
largement explorée (Jardret 1998, Hamdi 2000; Mezlini 2003; Ben Tkaya 2007). Un dispositif dédié à
cet axe de recherche a été développé Figure 2.10. Il permet de réaliser des micro-rayures sur des
surfaces avec différentes géométries d’indenteurs. Il permet également de faire varier les paramètres
de rayages tels que la vitesse de rayage et la charge imposée.
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Le positionnement précis de l’échantillon sous l’indenteur suivant les axes X, Y et Z est effectué par
des tables de translation pilotées par un moteur à courant continu pas à pas à résolution
micrométrique. Pour s’affranchir du problème de planéité de l’échantillon qui peut fausser les
résultats, on a choisi de travailler, dans le cadre de cette étude avec le mode effort normal imposé
asservi par le déplacement vertical.
Un essai de rayage à charge imposée se déroule en deux étapes : une phase d’indentation où un
effort normal est appliqué et la phase où on garde cet effort normal constant en se déplaçant
parallèlement à la surface de l’échantillon. Le dispositif permet ainsi de mesurer en continu l’effort
normal et l’effort tangentiel par un système de capteurs de forces piézoélectriques. La Figure 2.11
illustre les deux phases d’indentation et de rayage à travers un exemple d’acquisition des efforts lors
d’une opération de rayage à effort normal imposé.
Figure 2.11Acquisition de l’effort normal et tangentiel d’un essai de rayage
b. Définition de l’acier utilisé
Les échantillons utilisés lors des essais de rayage sont extraits d’une barre forgée d’acier rapide
supérieur HSS. Comme indiqué dans le contexte de ce travail, c’est une nouvelle nuance élaborée
spécifiquement pour fabriquer des cylindres de laminage à froid de l’aluminium. Cet acier appartient
à la famille des aciers rapides fortement alliés, c’est un acier traité, qui a subi un traitement
thermique à cœur ; une trempe autour de 1100°C et une série de revenues entre de 450 à 600 °C
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Cet acier contient des éléments d’alliage, sa composition chimique est donnée
approximativement par le Tableau 2.1.
HSS C V Mo Cr W
Composition (%)
[0.7 ; 1.5] [0.2 ; 3] [0.3 ; 3] [8 ; 13] [0.1 ; 2]
Tableau 2.1 composition chimique de l’HSS
Après traitement thermique, ce matériau présente des caractéristiques mécaniques élevées identifiées
à température ambiante, elles sont regroupées dans le Tableau 2.2.
Module de Young E (GPa) Limité élastique 𝜎𝑒 (MPa) Résistance à la rupture 𝑅𝑚 (MPa) Coefficient de poisson ν 217 1600 1800 0.3
Tableau 2.2Caractéristiques mécaniques de l’HSS
Une vingtaine de mesure de dureté ont été réalisées sur les échantillons bruts (Figure 2.12). On a
pu vérifier que les duretés sont relativement élevées. Elles varient entre 720 HV et 1270 HV selon la
zone d’indentation (matrice ou carbure).
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c. Analyse initiale des Echantillons
Les échantillons sont de petits parallélépipèdes de 25 X 40 X 5 mm
3, les dimensions sont
définies de manière à optimiser l’opération de rayage. Afin d’avoir une planéité optimale et éviter
toute interaction des rayures avec la rugosité de surface, les échantillons sont polis soigneusement
jusqu'à l'obtention d'un polimiroir de rugosité Ra≈0.01µm.
i Observation de la microstructure
La Figure 2.13 présente une observation MEB de la surface et de la section transversale d’un
échantillon de rayage. Sur la Figure 2.13(a), les carbures sont alignés selon une direction privilégiée
liée à la mise en forme par forgeage de l’acier. Cette direction correspond à la direction de
pénétration de l’indenteur. Sur la Figure 2.13 (b), les carbures sont répartis aléatoirement sur la
surface de l’échantillon c’est à dire dans la direction de rayage.
Figure 2.13Microstructure MEB de l’acier HSS à l’état de réception : (a) coupe transversale, (b)
surface de l’échantillon
La Figure 2.14 révèle la microstructure de la nuance HSS après attaque au Nital. La matrice se
trouve sous forme des lamelles après avoir subi une transformation martensitique sous l’effet des
traitements thermiques. Les carbures primaires sont présentés sur la Figure 2.14(a), leur taille varie
de 5 à 25 µm. La Figure 2.14 (b) montre les carbures secondaires fins (≈1µm) répartis
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Figure 2.14 Micrographie au MEB (Electrons secondaires) de l’acier HSS (a) Carbures
primaires, (b) carbures secondaires
ii Analyse chimique
L’analyse en électrons rétrodiffusés (BSE) associée à la microanalyse par Energie Dispersive de
rayons X (EDX) permet une analyse locale qualitative de la composition chimique de l’échantillon.
Sur la Figure 2.15(a) se révèle un contraste de phase. On distingue la présence de trois principales
phases. Une phase gris claire : c’est la matrice qui est riche en Fer, une deuxième grise plus foncée
localisée dans un carbure primaire indiquant d’après le Tableau 2.3 et la cartographie EDS
(Figure 2.15 (b)) que celui-ci est un carbure de chrome de type M7C3 (2500 Hv) et la troisième
zone noire est une phase riche en vanadium concentrée dans un carbure primaire de vanadium de
type VC (3500 Hv).
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Figure 2.15Analyse qualitative des phases d’un l’échantillon de rayage: (a) Imagerie en électrons
rétrodiffusés (BSE), (b) Analyse chimique élémentaire (EDS)
Tableau 2.3 Répartition des éléments chimiques dans les différentes phases du matériau
iii Topographie de surface des échantillons
Figure 2.16 présente une image obtenue par interférométrie optique de la surface initiale polie.
Elle présente des irrégularités qui semblent être liées à la microstructure du matériau en particulier la
présence des carbures. Les valeurs initiales des grandeurs de rugosité de la surface sont Sa ≈10 nm,
Sq ≈14 nm et Sp ≈ 56 nm.
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Figure 2.16 Topographie de la surface initiale des échantillons, obtenue par interférométrie
d. Préparation des indenteurs
Dans cette étude on s’intéresse au comportement des grains abrasifs lors du rayage de la nuance
de l’HSS. On a choisi de tester les grains abrasifs classiques en alumine blanc (Al
2O
3blanc), en
alumine brun (Al
2O
3brun) et en zirconium (Zrk) et les grains super-abrasifs en nitrure de bore
cubique (CBN).
Des critères liés à la nature de l’abrasif telles la dureté et la forme du grain à travers son angle
d’attaque sont pris en compte lors de cette étude. Pour les raisons cités précédemment, les
indenteurs en super abrasifs sont fabriqués avec des pointes en CBN, de forme conique et
présentant différents angles au sommet pour permettre d’étudier l’effet de la forme du grain sur le
comportement au rayage. Les différentes géométries sont regroupées dans le Tableau 2.4.
Pour les grains abrasifs classiques, on distingue selon les fournisseurs trois grandes familles. Les
grains pointus, les grains anguleux et les grains cubiques (Figure 2.7).
Dans le cadre de cette étude on travaille qu'avec les grains anguleux pour éviter d’une part le
comportement fragile des grains pointus et d’autre part l’aspect arrondi des grains cubiques. En se
basant sur des observations microscopiques (Tableau 2.4), les grains sont triés selon l’enveloppe
définissant l’angle au sommet et l’angle d’attaque approximatif. Les dimensions approximatives
suivantes du grain sont retenues : Longueur ≈ 1.5 à 2 mm, largeur ≈1 mm, angle au sommet est
estimé à 90°.
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Tableau 2.4 Images réalisées à la loupe binoculaire des différentes formes d’abrasifs utilisés
Au final les conditions de rayage choisies sont :
- Vitesse de rayage : 𝑉
𝑟= 0,1 mm/s.
- Force normale appliquée : 𝐹
𝑁𝑔= 20, 50 et 80 N.
- Longueur de la rayure : 𝐿
𝑟= 10 mm.
e. Indice de plasticité
Avant de passer à la caractérisation et aux analyses, on vérifie le mode de déformation au cours
du rayage de la surface grâce à l’indice de plasticité 𝑋 présenté dans la partie bibliographique de ce
chapitre (Equation2.6).
Rappelons Si 𝑋 est supérieure à 100, la déformation est essentiellement plastique. Le Tableau 2.5
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Semi angle au sommet 𝜽 (°) 30 45 60
Angle d'attaque 𝜷 (°) 60 45 30
Indice de plasticité 𝑿 234.9 135.625 78.3