Résultats métallurgiques

2.2.4.1. Etude préliminaire de la métallurgie du matériau

Afin de bien identifier les structures que nous obtenons lors du traitement thermique des éprouvettes semi industrielles, nous avons d’abord réalisé une étude micrographique et de dureté sur des échantillons de matière. Pour chaque échantillon, nous faisons une première série d’opération de polissage jusqu’à un grain de 120µm puis nous opérons des essais de microdureté. Il s’agit d’essais de dureté Vickers sous une masse de 100g réalisés avec un microduromètre Buehler. La diagonale de la trace laissée par la pointe de diamant est de 30µm pour une dureté d’environ 150HV et 20µm pour une dureté d’environ 450HV. 5 indentations aléatoires sont effectuées sur chaque échantillon et une moyenne est calculée. Ensuite, les échantillons sont repolis jusqu’à un grain de 3 µm puis attaqués dans un bain d’acide. Plusieurs bains d’acide ont été testés sur des échantillons à l’état de réception de la matière et à un état trempé à l’eau. Suite à ces tests, nous avons retenu un bain d’attaque de 5 secondes dans un mélange à 50% de Marshal et 50% de Villelal. Les compositions de ces deux acides sont données en annexe 3.

Figure 45 : Microscopie optique de l’état de réception (dureté 168HV) à deux échelles différentes

Les opérations ci-dessus ont été réalisées dans un premier temps sur des échantillons à l’état de réception. La Figure 45 montre des clichés de microscopie optique sur ces échantillons à deux échelles différentes. La dureté mesurée moyenne est de 168HV (écart type de 2HV). La structure ne peut être uniquement ferritique puisque la solubilité du carbone dans le fer α est de 0.02% [BÉRRANGER-1997] alors que le HR45 contient environ 0.14% de carbone. Il semble tout de même que ce soit une structure très proche de la ferrite [BERGE-1998] avec des inclusions de carbure aux joins de grains voire pour certains grains en précipité ou en solution. Dans la suite de nos travaux nous attribuerons les propriétés thermiques, mécaniques et métallurgiques de l’état initial à de la ferrite.

L’étude de l’état initial à été effectué dans le sens de laminage comme dans le sens transverse, dans le plans des tôles comme dans l’épaisseur, et rien ne nous à permis d’identifier une anisotropie due au laminage de la tôle.

Dans un second temps, nous avons découpé dans des tôles HR45 de 2 mm d’épaisseur, 6 éprouvettes de 15x80 mm² sans faire distinction du sens de laminage. Les 6 éprouvettes ont été placées dans un four à 950°C puis retirées au bout de 5 min. Dès la sortie du four, 3 éprouvettes ont été immédiatement plongées dans un bain d’eau à température ambiante, tandis que les 3 autres ont été refroidies à l’air. La procédure d’étude décrite ci-dessus a été appliquée sur chacune des 6 éprouvettes.

Figure 46 : Microscopie optique suite à une trempe à l’air (dureté 149HV) à deux échelles différentes

La Figure 46 présente deux micrographies à échelles différentes d’une éprouvette refroidie à l’air. La structure ressemble visuellement à celle de l’état initial bien que les carbures semblent plus concentrés dans de petits grains. La dureté moyenne est un peu plus faible puisqu’elle est en moyenne de 149HV (écart type 2HV) sur les 3 éprouvettes. Ne connaissant pas les procédés de fabrication des tôles HR45, il est difficile de donner une origine à cet écart de 20HV. Nous pouvons néanmoins en imaginer quelques unes comme un refroidissement après laminage à chaud plus rapide que celui de nos essais, un durcissement inhérent à la galvanisation des tôles ou simplement une légère différence de composition chimique entre deux tôles issues de coulées différentes.

L’étude des éprouvettes trempées à l’eau nous donnera une première idée de la structure que nous obtenons lors des procédés industriels et semi industriels. La Figure 47 en présente deux micrographies. La présence de lattes très distinctes laisse à penser qu’il s’agit d’une bainite ou de martensite. Le cliché à grossissement le plus faible montre que les lattes sont relativement bien organisées ressemblant à une bainite supérieure (Chapitre 1). La dureté de 381HV (écart type 37HV) élimine l’hypothèse de la martensite et semble confirmer celle d’une bainite peu dure. Nous nous trouvons certainement avec une structure entre bainite supérieure et inférieure, ce qui pourrait expliquer la dispersion des résultats de dureté.

Figure 47 : Microscopie optique suite à une trempe à l’eau (dureté 381HV) à deux échelles différentes

2.2.4.2. Etude d’une éprouvette semi-industrielle

Des échantillons d’éprouvettes semi industrielles trempées ont été observés de la même manière que lors des études préliminaires. La Figure 48 montre l’évolution de la dureté (homogène dans l’épaisseur de la tôle) dans le plan médian (X ; Y) d’une éprouvette de l’essai LP3. 5 points sont répertoriés sur ce graphique et 5 clichés de microscopie optique correspondants, montrent les microstructures différentes qu’on peut observer sur la pièce.

2.2 Mise au point d’essais sur une configuration simplifiée

Figure 48 : Evolution de dureté Vickers sur le plan médian d’une éprouvette semi industrielle et microscopie optique de 5 zones différentes

Le point 1 correspond à une zone vierge de tout traitement puisque sa température reste proche de l’ambiant. Malgré cela, sa dureté est plus élevée puisqu’elle atteint 250HV. Cela peut être dû au fait que la matière dans lesquels ont étés emboutis les pièces est issue d’un autre approvisionnement du fournisseur. La composition chimique et l’état structural n’est donc peut-être pas rigoureusement identique. Mais la différence de dureté est importante et la déformation subie lors de l’emboutissage, notamment dans les flans du « U », peut expliquer l’augmentation de dureté.

Le point 4 correspond à une trempe à l’eau puisque, situé juste de l’autre côté de l’épaisseur de la tôle par rapport à l’inducteur, il s’agit donc de la zone où la température a été la plus élevée et où l’austénitisation a été complète. La structure obtenue est alors une bainite mais de dureté supérieur à l’étude précédente, sur échantillon. En effet, ici la dureté est d’environ

Les points 3 et 5 se trouvent dans des zones métallurgiques intermédiaires. Les micrographies montrent des grains de bainite dans une matrice ferrittique. Ces grains sont la conséquence d’une austénitisation incomplète qui, suite à la germination et la faible croissance des grains austénitiques, a subi la trempe. L’austénite qui a été formée a alors été transformée en bainite, ce qui explique le gradient de dureté qui augmente avec la proportion de bainite par rapport à la ferrite autour du point 3. La température de ces zones se trouve comprise entre A1 et A3. Pour le point 5, il a été montré en Figure 42 que le rayon poinçon est moins chaud que les zones en face des inducteurs et qu’il n’atteint que 800°C. A3 est alors supérieur à 800°C et A1 est inférieur à cette température. Nous pouvons alors penser qu’en opérant la même étude sur une éprouvette d’un essai LP1, dont le temps de retard douche est plus court, nous observerions une structure encore moins dure et moins riche en bainite. Le test a été effectué et les résultats ne sont pas sensiblement différents.

Le point 2 est dans une très petite zone dont la température n’atteint pas la température de début d’austénitisation A1, mais semble suffire à opérer un recuit puisque la microstructure s’oriente de façon fibreuse suivant l’axe Y. La dureté n’en est pas affectée ce qui semble signifier qu’il s’agit uniquement d’une réorganisation des carbures et de la ferrite (dû aux contraintes ?) sans changement structural.

Figure 49 : Schéma d’une éprouvette semi industrielle et des 6 côtes mesurées