Bien que l’état mécanique semble jouer un rôle majeur, l’effet de la microgéométrie sur la tenue en fatigue peut également être significatif. C’est notamment le cas lorsque les contraintes résiduelles sont de faible amplitude [Novovic et al., 2004].
Thèse de Doctorat - Rôle de l’intégrité de surface dans la tenue en fatigue d’un acier bainitique après fraisage de finition
Influence de l’usinage sur la tenue en fatigue 13
De nombreuses études s’intéressent aux paramètres de rugosité standard Raet Rt (dé-finis dans l’ANNEXE B), qui sont couramment utilisés dans l’industrie pour spécifier un état de surface. L’effet le plus souvent constaté est une amélioration de la limite d’endu-rance après polissage, donc avec une diminution de la rugosité [Taylor et Clancy, 1991]. [Novovic et al., 2004] expliquent qu’en l’absence de contraintes résiduelles, une chute significative de la limite d’endurance est observée pour des surfaces de rugosités supé-rieures à Ra = 0, 1 µm. Ils précisent cependant que les paramètres Rt et Rz sont plus appropriés au contexte de la fatigue, car ils décrivent les défauts extrêmes de la surface.
Ces paramètres linéaires paraissent cependant insuffisants pour des surfaces ani-sotropes, rendant nécessaire l’utilisation des paramètres surfaciques. [Griffiths, 2001] montre par exemple que les paramètres spatiaux Std et Sal, qui décrivent la texture de la surface, ont un effet important sur la tenue en fatigue.
Indépendamment de ces paramètres, [Lieurade, 2008] montre que pour des sur-faces rectifiées, la limite d’endurance est systématiquement plus faible lorsque les stries sont perpendiculaires à la direction de sollicitation que lorsqu’elles sont parallèles. [Suraratchai et al., 2008] obtient un résultat similaire avec un alliage d’aluminium usiné par un étau limeur. Leurs études montrent donc l’importance de la prise en compte de l’anisotropie des procédés et des surfaces qu’ils permettent de générer.
4 Organisation de l’étude
L’introduction de ce manuscrit a présenté la problématique de notre étude, qui est le rôle joué par le fraisage de finition dans le comportement en fatigue d’un acier. Nous avons vu que le lien entre fabrication et tenue en service est en grande partie expliqué par l’altération des propriétés du matériau au cours du procédé. Ces propriétés, dont les plus importantes sont de natures géométrique et mécanique, peuvent affecter significativement le comportement en fatigue. Les maîtriser, et avant tout les connaître, est donc nécessaire pour être capable de prévoir ce comportement.
L’enjeu scientifique auquel nous souhaitons contribuer est la mise en place d’une mé-thode de prévision du comportement en fatigue tenant compte des conditions d’usinage d’une pièce. Le rôle prépondérant de l’intégrité de surface nous a amené à organiser notre étude suivant quatre axes de travail. Les deux premiers consistent à s’intéresser expé-rimentalement aux effets respectifs du procédé de fraisage de finition sur l’intégrité de surface des aciers bainitiques, et de l’intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Les deux axes d’étude suivants concernent la modélisation et la prévision, de l’intégrité de surface d’une part, et de la fatigue d’autre part.
Le premier chapitre est ainsi consacré à l’intégrité de surface après fraisage de finition. Une courte revue de résultats issus de la littérature permet de limiter le cadre de ces travaux. Une étude expérimentale est ensuite menée, afin de disposer des résultats de mesure nécessaires pour aborder la question de la caractérisation de l’intégrité de surface, et plus spécifiquement de l’anisotropie des propriétés mesurées. L’introduction de cette notion d’anisotropie permet de faire le lien avec le deuxième chapitre.
Le deuxième chapitre présente les résultats de plusieurs séries d’essais de fatigue, mettant en évidence le rôle joué par différents aspects de l’intégrité de surface, afin de mieux en comprendre les effets.
Le troisième chapitre traite de la prévision de l’intégrité de surface obtenue pour un matériau et un procédé connu. Afin de faire suite à de précédents résultats prometteurs sur le sujet, nous avons choisi de privilégier la prévision de l’état mécanique plutôt que celle de la microgéométrie. Pour cela, une approche dite hybride, combinant modélisation et résultats expérimentaux, est présentée. Cette approche a été consolidée et améliorée, en particulier en ce qui concerne l’identification du chargement thermique équivalent au procédé de fraisage de finition. La validité de l’approche proposée dans le contexte de cette étude est également étudiée.
Enfin, le quatrième et dernier chapitre traite de la prévision des performances en fa-tigue de pièces mécaniques. Une approche probabiliste du modèle d’endommagement à deux échelles est proposée. Cette modélisation est appliquée en tenant compte des ré-sultats des chapitres précédents, et est comparée aux réré-sultats de fatigue obtenus pour différents cas d’usinage.
Thèse de Doctorat - Rôle de l’intégrité de surface dans la tenue en fatigue d’un acier bainitique après fraisage de finition
Chapitre 1
Caractérisation
de l’intégrité de surface
après fraisage de finition
Sommaire
1 Influence de l’usinage sur l’intégrité de surface . . . 16 1.1 Effet sur la microgéométrie . . . 16 1.2 Effet sur l’état mécanique . . . 18 1.3 Effet sur la microstructure . . . 20 1.4 Cas particulier du fraisage de finition d’un acier bainitique . . . 20 2 Caractérisation de la microgéométrie après fraisage . . . 24 2.1 Moyen de mesure . . . 24 2.2 Caractérisation par des paramètres standards . . . 25 2.3 Distribution de tailles de défauts . . . 25 3 Caractérisation de l’état mécanique après fraisage . . . 28 3.1 Mesure par Diffraction des Rayons X au LMT-Cachan . . . 28 3.2 Contraintes résiduelles locales après usinage . . . 34 3.3 Évolution de contraintes résiduelles au cours d’un essai mécanique 37 4 Caractère anisotrope de l’intégrité de surface . . . 44 4.1 Étude des défauts en fond de vallées . . . 44 4.2 Direction d’usinage et microgéométrie . . . 48 4.3 Contraintes résiduelles . . . 50 5 Conclusion du premier chapitre . . . 51
Dans ce premier chapitre, nous nous intéressons à la caractérisation, à partir de résul-tats de mesure, des différents aspects de l’intégrité de surface, avec en premier lieu une présentation du lien entre l’intégrité de surface et les procédés d’usinage à travers une étude des travaux existants.
Les paramètres utilisés classiquement pour caractériser la microgéométrie, et leur ap-tidude à discriminer ou prévoir les effets de différentes surfaces sur le comportement en fatigue, sont rappelés. Une autre méthode est également présentée, visant à tenir compte des défauts présentant un risque d’amorçage de fissure.
L’évaluation des contraintes résiduelles est également abordée. Le déroulement de cette étude ayant été marqué par l’installation d’un nouveau système de Diffraction des Rayons X au LMT-Cachan, celui-ci est présenté, de même que les travaux qu’il a per-mis de réaliser : des évaluations de contraintes localisées corrélées avec la microgéomé-trie propre au procédé de fraisage de finition, et un essai de traction avec mesure des contraintes in situ par DRX à différents niveaux de chargement.
Enfin, la dernière partie du chapitre s’intéresse à l’anisotropie des surfaces obtenues par fraisage de finition, et à comment se traduit cette anisotropie au niveau de l’intégrité de surface. De nouvelles mesures de la microgéométrie sont présentées, avec une attention particulière à leur caractère anisotrope.
1 Influence de l’usinage sur l’intégrité de surface
Les procédés de fabrication, de bruts comme de finition, sont associés à des sollicita-tions thermomécaniques souvent élevées, qui induisent des propriétés hétérogènes au sein des pièces.
Dans le cas des procédés d’usinage, seules la surface et la sous-surface des pièces sont affectées (voir FIG.1.1). L’état du matériau dans ces zones peut être comparé à son état dit standard, « normé » ou « vierge ». Cet état de référence peut être retrouvé à cœur, ty-piquement à partir d’une profondeur d’environ 500 micromètres pour des pièces usinées. En milieu industriel, les critères utilisés pour déterminer les conditions de coupe in-cluent généralement le couple outil-matière, la rugosité standard et le diagramme brise-copeaux. D’autres aspects sont étudiés dans la littérature scientifique, notamment les pro-priétés microgéométriques, mécaniques et microstructurales.