OPTIMISATION DE LA TENUE DES MATRICES DE FORGEAGE DES CLOUS SUR DES PRESSES-CLOUS :

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

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UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI

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ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI

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DEPARTEMENT DU GENIE MECANIQUE ET ENERGETIQUE

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OPTION : PRODUCTIQUE

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MEMOIRE DE FIN DE FORMATION EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION

THEME :

Présenté par Tuteur de stage

DAHANON Armel Narcisse M. Prima QUENUM

Maître de mémoire Dr. Chakirou TOUKOUROU

Maître assistant des Universités, Enseignant-chercheur à L’EPAC

Période de réalisation : du 04 Mars au 03 Septembre 2013

6PROMOTION

OPTIMISATION DE LA TENUE DES MATRICES DE FORGEAGE DES CLOUS SUR DES PRESSES-CLOUS : CAS DE TRANSACIER-BENIN

Année universitaire 2012 -2013

Page | i

AVANT-PROPOS L’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC), est une entité de l’Université

Nationale du Bénin (UNB). Elle est créée en 1977 par une collaboration bilatérale bénino-canadienne.

A ce jour, elle compte deux secteurs regroupant plusieurs départements : le secteur biologique et le secteur industriel. Le secteur industriel réunit quatre départements que sont :

le département Génie civil (GC),

le département de Génie Informatique et Télécommunication (GIT), le département de Génie Electrique (GE), et

le département de Génie Mécanique et Energétique (GME) qui a pour chef le Docteur Gédéon CHAFFA.

Issu du cycle d’Ingénieur de Conception de l’EPAC, en provenance du département du Génie Mécanique et Energétique (option PRODUCTIQUE), nous avons effectué un stage de fin d’années d’études dans une industrie sise à Akpakpa PK3, spécialisée dans la transformation de l’acier : il s’agit de la société TransAcier.

Notre stage a débuté le 04 Mars et a pris fin le 03 Septembre 2013, soit une période de six mois. Au cours de ce stage, nous avons été confrontés à maintes difficultés auxquelles nous avons pu bravement faire face.

Après quelques semaines passées à l’atelier de fabrication mécanique, nous sommes allés à la section clouterie de la société. C’est là que notre stage s’est prioritairement déroulé.

Page | ii DEDICACES

Je dédie ce mémoire :

Toute ma gratitude.

Pour l’importance que vous avez toujours si bien manifestée à ma réussite, trouvez ici l’expression de ma profonde gratitude. Puisse ce travail, vous apporter jouissance !

Ce manuscrit est le fruit de vos enseignements ! Puisse-t-il vous satisfaire !

Je vous remercie infiniment !

Page | iii REMERCIEMENTS

C’est avec plaisir et enthousiasme que je commence la rédaction de cette page. Ce n’est pas juste le point final du manuscrit scientifique mais, aussi une réflexion sur une période de vie très riche en évènements.

Au terme de cette épreuve de mémoire, c’est un sentiment de satisfaction et de joie qui m’anime, sentiment de satisfaction que je dois à tous ceux qui m’ont soutenu de près ou de loin par leurs conseils, leurs aides et sans qui je n’aurais peut-être pas pu arriver jusqu’ici.

Je tiens tout d’abord, à exprimer aux enseignants de mon département mes vifs remerciements pour leur rigueur et la qualité de leur enseignement. A TOUS, JE RENDS GRAND HOMMAGE !

J’adresse ensuite un remerciement exceptionnel au Dr. Chakirou TOUKOUROU, pour son encadrement. Je vous remercie très chaleureusement de la qualité de votre suivi.

J’exprime toute ma gratitude au Dr. Toussaint KOSSOU. Je vous remercie de votre disponibilité et de votre contribution à ce travail.

J’adresse mes sincères remerciements au Dr. Alphonse QUENUM. Pour l’aide et les conseils scientifiques que vous m’avez toujours donné avec le sourire, trouvez ici l’expression de ma profonde gratitude.

Le cadre de mon stage est la société TransAcier, je remercie vivement Monsieur Christian CONSOL, Directeur Général de TransAcier pour avoir accepté ma demande de stage.

Mes gratitudes spéciales vont au Directeur d’usine, Monsieur Joseph AMELINA, pour ses conseils techniques dont j’ai souvent profité.

Page | iv J’adresse un remerciement très particulier au Directeur des Opérations, Monsieur Prima QUENUM qui a assuré mon encadrement au quotidien. Merci de votre disponibilité et de la confiance que vous avez su me témoigner.

Monsieur Jean ZODEHOUGAN, recevez mes chaleureux remerciements pour vos différents conseils et orientations qui m’ont permis de faire avancer mon travail.

Je m’en voudrais de ne pas dire merci aux sieurs Fabrice KOUTHON, Auguste ADANDE et Patrick KAFETCHINA pour les différentes aides et explications.

Que soit également associé à mes remerciements monsieur Charlemagne SALANON, pour les soutiens et motivations qu’il m’a apportés.

J’adresse autant mes remerciements aux sieurs Lorice HOUNSA, Ghislain VIGAN & Hermann FAGNINOU. Votre aide a été remarquable dans la rédaction de ce manuscrit. Bien entendu ! je n’oublie pas Monsieur François-Xavier KPINDJO pour sa disponibilité et son attention.

Mes remerciements vont aussi à l’endroit du chef atelier Aubin DOMINGO, qui par sa disponibilité, m’a fait profiter de son expérience. Je n’oublie pas Moïse, Arcadius, Roger et Romuald.

J’exprime toute ma reconnaissance envers tous ceux qui m’ont aidé par leur encouragement et explication, je veux nommer Charles, Edgard, Maxime, Apollinaire et Ferdinand.

Finalement je m’excuse de ne pouvoir tous les citer, tant ils ont été nombreux, à contribuer à rendre agréable mon séjour à TransAcier, trouvez tous ici l’expression de ma profonde reconnaissance et mon amitié sincère !

Page | v RESUME

Ce travail porte sur l’optimisation des temps de bon fonctionnement des outils de forgeage à froid des pointes communément appelées « clous », fabriquées sur des machines à clouter par une société sur le territoire béninois : TransAcier.

Les outils utilisés pour la fabrication des pointes sont faits d’aciers à outil de diverses nuances. Ils reviennent coûteux à l’entreprise et deviennent défectueux pour la fabrication des pointes « peu de temps » après leur mise en activité.

D’une manière claire et précise, ils induisent un remplacement trop fréquent, et donc impactent négativement la production.

Dans ce mémoire, nous avons :

étudié dans un premier temps, le mécanisme de fabrication des pointes avec les propriétés du lopin (acier extra-doux) ;

étudié ensuite les propriétés des différentes nuances utilisées avec les opérations auxquelles elles sont soumises avant mise en service ;

fait une étude des impacts de ces opérations sur le comportement des outils en service.

Ces analyses nous ont permis d’établir que la fréquence de changement observée est primo, due à l’inadéquation des opérations effectuées par les techniciens, et secundo due aux performances intrinsèques des matériaux.

Ces précédentes observations, nous ont permis, dans un deuxième temps, de proposer une solution, conduisant à décupler la tenue des outils en fonctionnement, et de considérablement réduire leur coût.

MOTS CLEFS

Aciers à outil, austénitisation, trempe, revenu, recuit, martensite, éléments carburigènes, forgeage, lopin, dureté, résistance à l’usure, brasage.

Page | vi ABSTRACT

This work focuses on the optimization of good performance times of the tools for cold forging tips collectively known as "nails", manufactured on press-nails by a company on the Beninese territory: TransAcier.

Manufacturing tools are all made of tool steels of various nuances. They are expensive to the company and become defective for the forging "a little time"

after their setting in activity. Concretely, they cause too frequent replacement, and therefore affect negatively the production.

In this report, our work has been as a first step,

to study the manufacturing process of the nails with the properties of the worked material ( extra soft steel),

to thoroughly study then the properties of the various nuances used, with the operations to which they are submitted to before setting in activity, and finally

to study the impact of these operations on the behavior of tools in activity.

These analyses allowed us to establish that the frequency change observed is firstly caused by the inadequacy of the operations performed by technicians and secondly caused by the intrinsic performance of materials.

Knowing previous observations, our work, in a second step, has been to propose a solution to increase tenfold the good working time of tools, and tremendously to reduce their cost price.

KEYS WORDS

Tool steels, austenitizing, quenching, tempering, martensite, carburized elements, forging, worked material, hardness, wear resistance, brazing.

Page | vii SOMMAIRE

AVANT-PROPOS ... i

DEDICACES ... ii

REMERCIEMENTS ... iii

RESUME ... v

ABSTRACT ... vi

SOMMAIRE ... vii

LISTE DES FIGURES ... ix

LISTE DES TABLEAUX ... xi

INTRODUCTION GENERALE ... 1

PROBLEMATIQUE ET CAHIER DE CHARGE ... 3

Chapitre 1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ... 5

1.1. C’est quoi un matériau ? ... 6

1.2. Les grandes classes de matériaux ... 6

1.3. Les propriétés mécaniques des matériaux ... 7

1.4. Les applications des matériaux ... 10

1.5. Les matériaux métalliques ... 12

1.6. Le forgeage ... 36

1.7. Synthèse ... 38

Chapitre 2 : ETAT DES LIEUX A TRANSACIER ... 40

2.1. Description de la clouteuse ... 41

2.2. Description des outils et mécanisme d’obtention des pointes ... 42

2.4. Historique du choix des matériaux actuellement utilisés ... 46

2.5. Présentation des matériaux utilisés ... 50

2.6. Les opérations effectuées sur les outils ... 55

Page | viii

2.7. Les températures de services ... 58

2.8. Les tenues des outils ... 59

2.9. Récapitulation ... 64

Chapitre 3 : ANALYSES ... 65

3.1. Introduction ... 66

3.2. Les propriétés nécessaires aux outils ... 66

3.3. L’analyse du matériel du chauffage ... 69

3.4. L’analyse des traitements thermiques ... 70

3.5. A propos des couteaux ... 84

3.6. Obstacles et difficultés... 84

3.7. Conclusion ... 85

Chapitre 4 : PROPOSITION ET EVALUATION DU COUT DE REALISATION ... 86

4.1. Notre proposition ... 87

4.2. Mise en situation ... 88

4.3. Cas des couteaux ... 88

4.4. Cas des poinçons ... 103

4.5. Cas des mâchoires ... 113

4.6. Estimation de la tenue des couteaux et des poinçons ... 120

4.7. Estimation du coût de réalisation ... 125

4.8. Estimation du prix d’achat du couteau et du poinçon ... 126

4.9. Estimation des coûts des dépenses énergétiques liées aux traitements thermiques des outils ... 126

CONCLUSION GENERALE ... 128

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 130

WEBOGRAPHIE ... 136

TABLE DES MATIERES ... 137

Page | ix

ANNEXES ... 145

LISTE DES FIGURES Figure 1.1 : structures des mailles cristallines [22] ... 15

Figure 1.2 : diagramme de phases de l’alliage binaire Fe-C [17]. ... 17

Figure 1.3 : Variations approximatives de la dureté et de la résistance à la traction des aciers en fonction de leur teneur en carbone et de leur état structural [42] ... 19

Figure 1.4 : procédé d’un traitement thermique dans la masse [11] ... 28

Figure 1.5 : techniques de chauffage dans la pièce [11] ... 30

Figure 2.1 : quelques éléments de machines ... 43

Figure 2.2 : les outils de forgeage. ... 44

Figure 2.3 : aspects des pointes... 47

Figure 2.4 : mode d’obtention de pointe ... 48

Figure 2.5 : mâchoires en carbure ... 49

Figure 2.6 : poinçons « en carbure ». ... 49

Figure 2.7 : courbe de revenu du TPS4 [51] ... 52

Figure 2.8 : courbe de revenu du THYRODUR 2842 [51] ... 56

Figure 3.1 : formation de la calamine sur les mâchoires après refroidissement ... 81

Figure 3.2 : courbe de transformation en refroidissement continu TRC du THYRODUR 2379 [52]. ... 81

Figure 4.1 : galets cassés en carbure de tungstène ... 87

Figure 4.2 : les couteaux usinés après sous-traitance. ... 90

Figure 4.3 : quelques façons de découper (forme de l’outil en vert) ... 93

Figure 4.4 : détermination de l’angle au centre du secteur à découper ... 94

Figure 4.5 : triangle en situation de Thalès ... 95

Page | x

Figure 4.6 : le tracé d’un diamètre sur le galet. ... 96

Figure 4.7 : définition de l’angle au centre du secteur à découper ... 97

Figure 4.8 : détermination de la petite base de l’outil ... 97

Figure 4.9 : détermination de la hauteur de l’outil ... 97

Figure 4.10 : délimitation complète de l’outil ... 98

Figure 4.11 : allumage du chalumeau [34] ... 102

Figure 4.12 : délimitation de l’angle au centre ... 107

Figure 4.13 : délimitation de la largeur de l’outil ... 108

Figure 4.14 : délimitation de de la portion à découper ... 108

Figure 4.15 : les mâchoires usinées par sous-traitance ... 113

Page | xi LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1.1 : rayon des sites interstitiels octaédriques des deux phases du fer et des

éléments pouvant occuper ces mêmes sites [22] ... 16

Tableau 1.2 : Solubilité du carbone dans le fer [17] ... 17

Tableau 1.3 : Ampleur des variations des performances mécaniques dans le cas d’un acier du type 34CrMo4 [43]. ... 19

Tableau 1.3 : capacités des différents types de presses de forgeage [9] ... 38

Tableau 2.1 : les gammes de pointes produites. ... 46

Tableau 2.2 : Composition chimique des couteaux [51] ... 50

Tableau 2.3 : procédure de trempe des couteaux [51] ... 51

Tableau 2.4 : propriétés mécaniques du TSP4 [51] ... 52

Tableau 2.5 : composition chimique des mâchoires [51] ... 53

Tableau 2.6 : condition de trempe du THYRODUR 2379 [51] ... 54

Tableau 2.7 : températures de revenu et duretés équivalentes [51] ... 54

Tableau 2.8 : composition chimique des poinçons [51] ... 54

Tableau 2.9 : conditions de trempe du THYRODUR 2842 [51] ... 55

Tableau 2.10 : températures de revenu et duretés équivalentes [51] ... 55

Tableau 2.11 : traitement thermique du TSP4 ... 57

Tableau 2.12 : températures de quelques pièces prises le 09-05-2013 après dix (10) heures de fonctionnement des machines ... 59

Tableau 2.13 : températures de quelques pièces prises le 04-06-2013 après sept heures de fonctionnement des machines ... 59

Tableau 2.14 : températures de quelques pièces prises le 27-06-2013 après quatre (04) heures de fonctionnement des machines ... 59

Page | xii

Tableau 2.15 : fiche de suivi de quelques outils (Avril 2013) ... 60

Tableau 2.16 : fiche de suivi de quelques outils (Mai 2013) ... 61

Tableau 2.17 : fiche de suivi de quelques outils (Juin 2013) ... 62

Tableau 2.18 : MTBF par mâchoire ... 63

Tableau 2.19 : MTBF par couteaux ... 63

Tableau 2.20 : moyenne par outil ... 63

Tableau 3.1 : composition chimique du lopin [51] ... 66

Tableau 3.2 : durée du maintien de la température d’austénitisation en fonction de l’épaisseur des pièces à traiter [11]. ... 75

Tableau 4.1 : gamme d’usinage du porte-outil ... 109

Tableau 4.2 : composition chimique du TSP6 ... 114

Tableau 4.3 : gamme d’usinage du porte-insert ... 119

Tableau 4.4 : données sur quelques sociétés de fabrication de clous ... 121

Tableau 4.5 : évaluation de la perte d’épaisseur après affûtage ... 122

Tableau 4.6 : évaluation de la perte d’épaisseur après affûtage ... 124

Tableau 4.7 : les prix des matériels à utiliser ... 125

Tableau 4.8 : prix d’achat du couteau et du poinçon. ... 126

Tableau 4.9 : fréquences d’utilisation hebdomadaire des fours en heures (2013)... 126

Page | 1 INTRODUCTION GENERALE

L'entreprise est un système organisationnel qui a pour objectif de produire des biens et des services destinés à satisfaire les besoins des consommateurs et par la même occasion, à tirer un maximum de bénéfice.

Dans les industries, au moment où la mise en place d’un nouveau système de production adaptée permet de réduire les coûts de production, on cherche à optimiser les moyens déjà existants pour produire toujours plus, mais à moindre coût.

Ainsi, dans le souci d'une meilleure rentabilité et dans le but d'assurer sa croissance, une entreprise doit pouvoir répondre à des questions relatives à sa production à savoir : comment optimiser les facteurs de production ? Quelle quantité dois-je produire ? Dans quel délai dois-je finir de produire ? Et à quel coût ?...

Ces interrogations sont au cœur du présent projet technique qui s’intitule : « Optimisation de la tenue des matrices de forgeage des clous sur des presses-clous : cas de TransAcier-Bénin ». Les matrices de forgeage sont constituées d’un poinçon, d’une paire de mâchoires et d’une paire de couteaux.

Ce projet a pour objectif d’apporter une solution technique et économique qui augmentera les temps de bon fonctionnement des outils en service, et donc limitera leurs fréquences de changement. Cette solution aura un impact très positif sur la société, en ce sens qu’elle augmentera la production et par ricochet le profit.

Ce mémoire adopte une organisation logique suivant quatre chapitres.

Le premier chapitre consiste en une synthèse bibliographique des connaissances des matériaux à travers leurs propriétés mécaniques. Une grande partie sera consacrée aux aciers. Les différents types d’aciers avec les propriétés de chaque, les traitements thermiques dans leurs généralités et les influences individuelles

Page | 2 puis synergiques des éléments d’alliages seront abordés. Nous présenterons pour finir quelques généralités sur le forgeage et sur les presses mécaniques.

Dans le deuxième chapitre, il sera question de faire l’état des lieux. Nous présenterons le processus de fabrication des pointes, les propriétés mécaniques des outils d’ouvrage et leurs parcours (de l’acquisition au traitement thermique en passant par les opérations d’entaillage et d’affûtage).

Le troisième chapitre se consacre dans un premier temps à déterminer les propriétés absolument nécessaires aux outils pour une meilleure tenue. Dans un deuxième temps, nous passerons à l’analyse des différentes opérations effectuées sur les outils afin de connaître la cause de leur faible tenue en fonctionnement. A la suite de cela, nous allons évoquer pour finir, quelques obstacles et difficultés rencontrés lors de l’étude.

Enfin dans le dernier chapitre, nous exposerons notre proposition visant à résoudre le problème rencontré. Nous évaluerons en fin, le coût de notre proposition, et étudierons son impact sur la production.

Page | 3 PROBLEMATIQUE ET CAHIER DE CHARGE

Les pointes fabriquées à TransAcier sont forgées grâce à un triplet d’outils travaillant harmonieusement : il s’agit d’un poinçon, d’une paire de mâchoires et d’une paire de couteaux. Ces outils sont tous faits d’aciers à outil (plus précisément, les couteaux sont faits d’aciers rapides) de nuances diverses. Le lopin utilisé pour la fabrication des pointes est quant à lui, fait d’acier extra- doux.

Utilisant ces matériaux depuis plusieurs années, la société a fait la remarque suivante : « nos outils ne durent pas en bon fonctionnement », en termes clairs, les outils deviennent vite défectueux, et donc ne parviennent plus à produire de bonnes pointes comme en leur début de fonctionnement. « Dans ces cas, nous arrêtons les machines, démontons puis changeons le(s) outil(s) défectueux. Une fois démonté(s), il(s) est (sont) envoyé(s) aux techniciens pour subir différentes opérations. Les mâchoires subissent des traitements thermiques et usinage. Les couteaux sont affûtés et les poinçons sont surfacés et striés.» L’autre chose est que « ces outils nous reviennent coûteux ». Entre-temps (bien avant notre arrivée), la société avait utilisé quelques mâchoires à parties actives en carbure de tungstène dites « mâchoires en carbure ». « En fonctionnement, ces mâchoires duraient généralement 2520 heures¹. Mais une fois défectueuses, elles sont déclassées. Par ailleurs, elles coûtent chers. Par exemple, une paire de mâchoires en carbure pour la fabrication des pointes ∅5,40 , coûte 715^€2 à l’achat ».

TransAcier a également utilisé des poinçons à parties actives en carbure de tungstène (la partie active est directement brasée sur le porte-outil, figure 2.6).

Mais la brasure ne résiste pas aux conditions de frappe, et peu de temps après

1 L’équivalent approximatif de six mois pour une production journalière de seize (16) heures.

2 MATERIEL HAMEX, offre BNHA 5375, SEEB, le 12-12-2005. Ce prix équivaut à 468.325 FCFA.

Page | 4 mis en service, les deux matériaux sont dessoudés. A l’achat, « un poinçon pour la fabrication des pointes ∅5,40 coûte 485^€3.»

Il ressort de tout ce qui précède que la société souhaiterait abaisser ses coûts de production des pointes, puisque le but d’une entreprise, à fortiori une entreprise commerciale comme TransAcier afin d’assurer sa viabilité, est de maximiser les profits (ou bénéfice), c'est-à-dire réaliser un chiffre d'affaire supérieur à la somme de ses coûts.

Il transparaît donc que ce projet qui vise à faire face à ce problème technico- économique revêt d’une importance capitale.

Son objectif consiste à optimiser les temps de bon fonctionnement de l’outillage de forgeage des pointes. D’une manière précise, il s’agit de trouver des solutions pour améliorer les temps de bon fonctionnement des outils et dans le même temps de minimiser leurs coûts de revient, de possession et d’exploitation.

3 MATERIEL HAMEX, offre BNHA 5375, SEEB, le 12-12-2005. Ce prix équivaut à 318.160 FCFA

Page | 5

Chapitre 1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE

Page | 6 1.1. C’est quoi un matériau ?

On appelle matériau toute matière utilisée pour réaliser un objet au sens large.

D’une manière symbolique et résumée, un matériau est une matière dont on fait un matériel. C'est une matière de base sélectionnée en raison de ses propriétés particulières en vue d'un usage spécifique [15-39].

Il est important de préciser ici, qu’un objet peut être fabriqué avec des matériaux différents. Aussi, un même matériau peut être utilisé pour fabriquer des objets différents [6].

1.2. Les grandes classes de matériaux

De nombreuses propriétés physico-chimiques et propriétés d’usage des matériaux sont étroitement liées à la nature des liaisons chimiques entre les atomes qui les constituent. C’est sur cette base qu’est établie la distinction entre les principales classes de matériaux [39].

Matériaux métalliques. Ce sont les métaux purs et leurs mélanges ou alliages, comportant essentiellement des liaisons métalliques.

Matériaux organiques. Ce sont les matériaux d’origine biologique, les polymères et élastomères de synthèse, comportant des liaisons covalentes et des liaisons faibles.

Matériaux minéraux. Ce sont les roches, oxydes, verres minéraux, céramiques comportant des liaisons ioniques et/ou des liaisons covalentes.

Matériaux composites. Ils associent de manière structurée à fine échelle des matériaux différents, appartenant éventuellement à des classes différentes parmi les trois précédentes [ibid.].

Page | 7 1.3. Les propriétés mécaniques des matériaux

Les propriétés mécaniques des matériaux déterminent l’ensemble des caractéristiques, qui déterminent ou qui permettent de prévoir leur comportement sous chargement statique ou dynamique [17],

soit en vue de dimensionner les structures ;

soit afin de concevoir les opérations et les outillages nécessaires à la réalisation de produits.

Les caractéristiques mécaniques d’un matériau dépendent de sa nature : métal, polymère, céramique, composite ;

de sa composition ;

de sa microstructure [ibid.].

La microstructure dépend elle-même des conditions d’élaboration du matériau et des éventuels traitements thermomécaniques liés à la fabrication soit de produit standard comme les barres, fils, tubes, profilés, plaques, tôles, feuilles, soit de pièces semi-finies comme les pièces moulées, les pièces forgées ou embouties.

Les propriétés mécaniques d’un matériau sont, de plus fonction de divers paramètres tels que la vitesse de déformation, la température d’utilisation, les conditions d’application des efforts, l’état de surface [38].

Différentes catégories de propriétés existent :

− propriétés d’élasticité ;

− propriétés de viscoélasticité ;

− propriétés de plasticité ;

− propriétés de viscoplasticité ;

− propriétés de durabilité ;

− propriétés d’usinabilité [ibid.].

Page | 8 1.3.1. Les propriétés d’élasticité

Les propriétés d’élasticité déterminent les amplitudes des déformations, instantanées et immédiatement réversibles, consécutives à l’application de charges ou d’efforts connus, et inversement, l’intensité des efforts associés à des déformations statiques ou dynamiques de faible amplitude. Elles sont à la base du calcul des structures, c’est-à-dire de l’évaluation des contraintes et des déformations dans les pièces et les structures en fonction de leur géométrie et des charges imposées. Le comportement élastique d’un matériau est défini par un certain nombre de caractéristiques appelées modules, coefficients ou constantes d’élasticité [17].

1.3.2. Les propriétés de viscoélasticité

Ces propriétés caractérisent l’évolution progressive des déformations, ou des efforts, qui se manifestent au cours du temps pour certains matériaux, lorsqu’ils sont respectivement sollicités sous un chargement constant ou sous une déformation imposée dans certaines conditions notamment thermiques. Les propriétés de viscoélasticité concernent le domaine des faibles déformations. Les trois types de manifestations qui caractérisent la viscoélasticité sont :

− le microfluage,

− la relaxation,

− l’amortissement [37].

1.3.3. Les propriétés de plasticité

Les propriétés de plasticité définissent le comportement des matériaux sous chargement imposé au-delà du domaine élastique. Elles déterminent les efforts à mettre en jeu dans les opérations de formage à froid, les déformations maximales accessibles, les capacités ou les risques de déformation permanente

Page | 9 sous chargement statique des produits finis et les charges limites correspondantes. Plusieurs essais caractérisent la plasticité :

− l’essai de traction uniaxial,

− les essais de contrôle de dureté (dureté Brinell, dureté Vickers, etc.),

− l’essai de ténacité ou essai de Charpy, [6] etc.

1.3.4. Les propriétés de viscoplasticité

Les propriétés de viscoplasticité caractérisent l’action de la vitesse de déformation et de la température sur le comportement plastique de matériaux tels que les polymères thermoplastiques et les matériaux cristallins. La viscoplasticité se manifeste, en général, à température élevée [ibid.]. Ces propriétés interviennent dans la définition des opérations de formage à chaud, dans le choix des vitesses et des températures de déformation, dans l’évaluation des efforts correspondants, et dans la prévision de la tenue à long terme des pièces à hautes températures [37].

1.3.5. Les propriétés de durabilité

Parmi les propriétés de durabilité, il est intéressant de distinguer plus spécifiquement les propriétés dites de tenue en fatigue qui font intervenir à la fois les caractéristiques en volume et de surface des matériaux ou des pièces soumises à des sollicitations répétées, et les propriétés de résistance à l’usure qui mettent en jeu essentiellement les propriétés de surfaces au contact entre deux matériaux [35].

La tenue en fatigue qui caractérise la capacité de résistance des matériaux à des efforts ou à des déformations, cycliques ou aléatoires, permet [37] :

− d’une part, le dimensionnement en conséquence des pièces ou des structures, afin d’éviter des ruptures précoces et brutales,

Page | 10

− d’autre part, l’estimation de leur tolérance au dommage, c’est-à-dire leur aptitude à résister à la propagation de défauts, criques ou fissures, préexistants ou induits par les sollicitations.

Les propriétés de résistance à l’usure sont, fonction à la fois du matériau, des conditions de contact et des efforts exercés. Elles dépendent donc fortement des états de surface géométriques et structuraux [29].

1.3.6. Les propriétés d’usinabilité

Les propriétés d’usinabilité qui définissent l’aptitude des matériaux à l’usinage par enlèvement de matière tiennent compte à la fois de la durée de vie des outils et des qualités de surface obtenues. Comme les propriétés d’usure, les propriétés d’usinabilité résultent d’un ensemble de facteurs liés d’une part au matériau, d’autre part aux conditions opératoires. A ces différentes catégories s’ajoutent d’autres caractéristiques essentielles au choix des matériaux et des procédés de fabrication des produits, telles que : la résistance à la corrosion ou à l’oxydation ; les capacités de revêtement ; l’aptitude au soudage ; les conditions de maintenance ; les capacités de recyclages [1].

1.4. Les applications des matériaux

Les matériaux évoluent de nos jours beaucoup plus vite qu’à tout moment de leur histoire. Les pays industrialisés considèrent le développement de matériaux nouveaux ou meilleurs comme une technologie stratégique et porteuse ; susceptible de stimuler l’innovation dans tous les secteurs techniques, en permettant de concevoir de nouvelles structures, des supports, des moteurs, des systèmes électroniques ou optiques, des machines-outils, des équipements de stockage de l’énergie, et bien d’autres applications. De nombreux pays (en particulier les Etats-Unis, le Japon et l’Allemagne) ont mis sur pied des programmes, soutenus par les gouvernements, pour inciter au développement et

Page | 11 à l’usage de nouveaux matériaux [4]. Les effets de tels programmes se font actuellement sentir dans les bureaux d’étude en ce sens qu’ils ont déjà stimulé la conception de toute une gamme de produits nouveaux et innovants.

De la sorte, l’ingénieur a plus que jamais pour obligation de connaître les matériaux et leur potentiel. Pour cela, il doit comparer et évaluer avec précision les propriétés des matériaux concurrents. Une bonne décision nécessite la connaissance des propriétés de base des matériaux, et la façon dont elles sont apportées par le procédé de fabrication ; également les techniques de mise en forme, d’assemblage et de finition ; enfin la logique de raisonnement qui assure le bon choix [ibid.].

Lorsqu’un ingénieur conçoit un objet ou une structure, il a une large gamme de matériaux à sa disposition. Comment s’y prend-il pour choisir le matériau ou l’assemblage de matériaux le plus adapté à son objectif ? Les erreurs peuvent causer des désastres. De même, un bon choix est signe de pérennité.

Pendant la dernière guerre mondiale, un type de cargo à coque soudée connut des lourdes pertes, qui n’étaient pas dues aux attaques ennemies mais au fait que ces bâtiments se cassaient en deux en mer. L’accident était occasionné par une fissure qui courait le long des soudures et tout autour du navire parce que les matériaux soudés avaient une ténacité faible [3].

Un autre exemple, tous les tournevis ont une tige et une lame faites en métal : en acier à haute teneur en carbone. On emploie l’acier à cause de son module élevé.

Le module est caractéristique de la résistance du matériau à la déformation élastique, ici le fléchissement. Si la lame était faite d’un polymère comme le polyéthylène, elle se tordrait beaucoup trop. Cette propriété (le module) est un des critères de choix du matériau pour cette application ; mais ce n’est pas la seule. La lame doit avoir une limite d’élasticité élevée, sinon elle subit une flexion plastique irréversible lorsqu’on visse trop fort (cela peut se produire avec un mauvais tournevis). Et elle doit avoir une dureté élevée, sinon elle serait entaillée par le matériau constituant la tête des vis, et donc endommagée. En

Page | 12 outre, le matériau constitutif de la tige et de la lame doit non seulement résister à la torsion et à la flexion, mais aussi à la fissuration. Par exemple, le verre a un module, une limite d’élasticité, et une dureté élevés, mais il ne convient visiblement pas à cet usage en raison de sa fragilité. Plus précisément, sa ténacité est faible. Celle de l’acier est élevée, ce qui signifie qu’il cède, ou fléchit, avant de casser [ibid.].

Dernier exemple, si la cuillère en plastique que vous tournez dans votre thé se tord, ou si une flottille d’avion est consignée au sol parce que des fissures sont apparues dans l’empennage, c’est à cause de l’ingénieur d’études qui aura utilisé des matériaux inappropriés ou n’aura pas compris les propriétés des matériaux qu’il a employés [3]. Ainsi, il est primordial que l’ingénieur sache sélectionner les matériaux qui conviennent le mieux aux exigences économiques, esthétiques, de résistance et de longévité du produit qu’il conçoit. Il doit comprendre les propriétés des matériaux et leurs limites.

Intéressons à présent à une des classes des matériaux : les métaux 1.5. Les matériaux métalliques

1.5.1. Définitions

Selon la définition des dictionnaires classiques, un métal est un corps simple doué d’un état particulier, dit « métallique » ; il est bon conducteur de chaleur et d’électricité.

A cette définition littéraire, on doit ajouter, dans un contexte encore très général, qu’un métal, à l’état solide, est, à la fois :

cristallin et, surtout, polycristallin ;

apte à subir avant de se rompre ou de se fissurer, des changements de formes sous l’action d’efforts plus ou moins importants ; on dit qu’il est capable de subir une « déformation plastique ». Ce dernier caractère est

Page | 13 très important pour le mécanicien, car il lui évite généralement une rupture fragile, comme le ferait le verre ou le béton ;

en général soudable, c’est-à-dire qu’il permet de réaliser l’assemblage d’éléments à travers des opérations industrielles qui reconstituent la continuité métallique (par rétablissement des liaisons entre atomes) [41].

Les métaux utilisés dans l’industrie ne sont pas constitués de cristaux parfaits ; un certain nombre d’anomalies affectent leur réseau cristallin, anomalies qui, malgré l’appellation de « défauts », influencent très fortement, mais d’une manière bénéfique, leur comportement mécanique. Ces défauts peuvent être décrits ainsi [ibid.] :

un atome manque à l’emplacement d’un nœud du réseau, ce qui crée une lacune, laquelle provoque des distorsions du réseau dans son voisinage.

Les atomes proches vont alors se déplacer dans le vide créé pour rétablir un équilibre des forces de liaison.

un atome étranger occupe un nœud du réseau. Il s’agit d’une impureté, au sens chimique du terme, mais on dit ici qu’il s’agit d’un élément d’alliage, car cet atome est dissous dans le métal de base : on parle alors de solution de substitution. La présence d’un tel atome étranger provoque de légers déplacements des atomes environnants par rapport aux nœuds du réseau ; un atome étranger occupe un emplacement hors des nœuds du réseau.

C’est une impureté qui apparaît comme un élément d’alliage dissous ; il est dit « en solution solide d’insertion ». Son existence exige que l’atome soluté soit très petit, ce qui limite cette forme de solubilisation aux éléments d’hydrogène (H), d’oxygène (O), d’azote (N), de carbone (C) et de bore (B).

Pour le mécanicien, le niveau des performances mécaniques est le premier sujet d’intérêt. Nous reviendrons sur les différentes techniques pouvant augmenter les

Page | 14 performances des métaux. Intéressons-nous pour l’heure à un cas particulier et très prisé des matériaux métalliques en industrie : les aciers

1.5.2. Les aciers

1.5.2.1. Généralités

De tous les alliages métalliques, les aciers figurent parmi les plus couramment employés dans les applications industrielles. La grande diversité de leurs nuances et la possibilité de réaliser des traitements conditionnant les propriétés mécaniques de ces aciers permettent de couvrir une gamme d’applications extrêmement large. Leurs propriétés mécaniques sont étroitement liées à la microstructure de l’alliage, donc à sa composition et aux traitements thermiques appliqués. Enfin, leurs faibles coûts présentent un grand intérêt pour leurs utilisations [22].

1.5.2.2. Structure cristalline du fer

Le fer, élément constitutif principal des aciers et des fontes, est un métal dont la structure peut changer avec la température. A la température ambiante, la structure cristalline du fer correspond à la forme cubique centrée () dite (alpha) ou (fer alpha) [10]. Dans cet état, les atomes de fer occupent les sommets et le centre d’un cube (figure 1.1-a). Mais cette forme n’est stable que jusqu’à 912°, température à laquelle se produit une transformation allotropique qui fait passer la structure cristalline de la forme à la forme cubique à face centrées () dite (gamma) ou (fer gamma) [12]. Dans cet état, les atomes de fer occupent les sommets et les centres des faces d’un cube (figure 1.1-b). Cette forme est stable jusqu’à 1 394°, température à laquelle le fer reprend la structure cubique centrée sous la forme dite (delta) ou

Page | 15 (identique au ), état cristallin qu’il conserve jusqu’à sa fusion à 1 538° [22-42].

Figure 1.1 : structures des mailles cristallines [22]

Pour augmenter les performances mécaniques du fer (au voisinage de la température ambiante), il faut diminuer ses possibilités de déformation plastique [43] ; celles-ci dépendant de la mobilité des dislocations, il faudra alors installer des obstacles sur le parcours de ces dernières. Ces obstacles pourront être :

d’autres dislocations générées par écrouissage ou par trempe ; des atomes étrangers introduits en solution solide ;

des précipités ;

des joints de grain [ibid.].

1.5.2.3. Définition et microstructure d’un acier au carbone

On appelle acier un alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone est inférieure à 2% massique. Cette teneur limite vient de la limite de solubilité du carbone, à haute température, dans la phase cubique à faces centrées du fer, appelée austénite. D’autres éléments d’alliages sont généralement ajoutés à l’alliage fer-carbone (Fe-C) afin d’améliorer les caractéristiques mécaniques [22].

Page | 16 On entend par solubilité la quantité d’éléments d’alliage que l’on peut introduire en solution solide [20].

Dans la structure , le nombre d’atomes par maille est plus important : quatre atomes par maille contre deux pour la structure cubique centrée.

De plus, chacune de ces phases possède des sites interstitiels que seuls les atomes de faibles rayons peuvent occuper. Compte tenu du rayon des atomes métalliques, seul les atomes hydrogène (H), oxygène (O), azote (N), carbone (C) et bore (B) peuvent se placer en position interstitielle [22]. Les valeurs des rayons des sites octaédriques de chacune des phases, ainsi que les rayons atomiques de ces cinq éléments, sont présentés dans le tableau 1.1.

Tableau 1.1 : rayon des sites interstitiels octaédriques des deux phases du fer et des éléments pouvant occuper ces mêmes sites [22]

a) rayons des éléments atomiques b) rayons des sites

Dans les deux phases, l’occupation par un atome de carbone d’une position interstitielle crée une distorsion dissymétrique du réseau cristallin [30], le rayon atomique du carbone étant plus élevé que celui du site interstitiel qu’il occupe.

Néanmoins, dans le cas de la structure cubique centrée de la ferrite, les sites octaédriques sont de bien plus petites dimensions que dans la structure (0,019 ! contre 0,053 ! pour la structure (). Ainsi, le carbone ne

structure Rayon du site octaédrique (#$)

0.053

∝ 0.019

Elément Rayon atomique (! )

H 0,03

O 0.066

N 0.071

C 0.077

B 0.087

Page | 17 possède pas la même limite de solubilité dans les deux phases (tableau 1.2). Elle est plus élevée dans l’austénite [17].

Tableau 1.2 : Solubilité du carbone dans le fer [17]

_∝

Température (°C)

Teneur en carbone (% en masse)

Température (°C)

Teneur en carbone (% en masse) 200

400 600 700 727

0,0000007 0,00023

0,0057 0.0160 0,0218

798 900 1 148 1 200 1 300

0,77 1,22 2,11 1,85 1,30 1.5.2.4. Diagramme de phases

Figure 1.2 : diagramme de phases de l’alliage binaire Fe-C [17].

Page | 18 A la lecture du diagramme de la figure 1.2, il apparaît que pour une concentration précise de carbone dans l’acier, à savoir 0,77 % massique, le passage de la phase ( + _* à la phase austénitique + se produit de manière isotherme. On parle d’une transformation eutectoïde. Les domaines de transformations traversés pour des teneurs inférieure et supérieure à 0,77% sont alors différents.

La convention suivante a été adoptée :

un acier de teneur en carbone égale à 0,77 % massique est appelé acier eutectoïde,

un acier de teneur inférieure à 0,77 %, est appelé acier hypoeutectoïde, un acier dont la teneur est supérieure à 0,77 % est qualifié d’acier hypereutectoïde [23].

Les transformations de phases à l’état solide peuvent principalement être gouvernées par deux modes différents, à savoir la diffusion ou un mouvement coordonné d’atomes, sans diffusion [14].

Dans le cas des aciers, au cours du refroidissement, la phase austénitique n’est plus stable. La vitesse de refroidissement modifie la nature des transformations de phase qui peuvent se produire :

− si la vitesse de refroidissement est faible, on se trouve dans un état proche de l’équilibre. La diffusion du carbone est alors possible. Le refroidissement de la phase austénitique va ainsi conduire à la formation d’un mélange ( + _*.

− Si la vitesse de refroidissement est rapide, le carbone ne peut pas diffuser et se retrouve piégé dans la maille. Cette transformation est hors d’équilibre et conduit à la formation d’une phase métastable : la martensite.

− Pour des vitesses de refroidissement intermédiaire, les structures bainitiques sont observées [23].

Page | 19 Il existe une forte corrélation entre la structure d’une phase, ses propriétés mécaniques et sa teneur en carbone (tableau 1.3).

Tableau 1.3 : Ampleur des variations des performances mécaniques dans le cas d’un acier du type 34CrMo4 [43].

Acier 34CrMo4 Constituant Température

de formation (°C)

Rm (N/mm²) Ferrite + perlite

Ferrite + perlite Bainite moyenne Bainite inférieure martensite

700 550 400 350

< 340

610 890 1 050 1 450

> 2 150

Figure 1.3 : Variations approximatives de la dureté et de la résistance à la traction des aciers en fonction de leur teneur en carbone et de leur état

structural [42]

La structure martensitique est donc celle qui présente plus d’intéressantes performances mécaniques. Les transformations de refroidissement rapide sont

Page | 20 donc un moyen de développer toute une classe d’aciers qui de par leur structure martensitique vont proposer des propriétés mécaniques intéressantes.

1.5.2.5. Les différentes nuances d’aciers 1.5.2.5.1. Définitions

Un alliage est le métal obtenu en ajoutant à un métal pur d’autres éléments appelés éléments d’alliage. On peut citer comme exemple le laiton (Cu + Zn) et le monel (Ni + Cu) [6].

Les constituants d’un alliage sont les éléments chimiques qui le constituent [4] : dans le laiton, ce sont le cuivre et le zinc. Dans le monel, ce sont le cuivre et le nickel.

Un système d’alliages est constitué de l’ensemble des alliages obtenus à partir de même groupe de constituants. Le système Cu-Zn est le système de tous les alliages contenant le cuivre et le zinc en différentes proportions [ibid.].

En dehors de la variation du pourcentage de carbone, on peut modifier les caractéristiques mécaniques et aptitudes technologiques des aciers par l’addition d’autres éléments [19]. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons aux éléments d’addition suivants :

le Chrome (,), le Cobalt (-) le Nickel (.) le Manganèse (/!) le Molybdène (/-) le Tungstène (0) et le Vanadium (1)

Leur influence individuelle et/ou synergique sera étudiée plus loin.

Page | 21 1.5.2.5.2. Les diverses nuances d’aciers

1.5.2.5.2.1. Les aciers utilisés à l’état ferrito-perlitique Les aciers utilisés à l’état ferrito-perlitique sont des alliages fer/carbone hypoeutectoïdes ne contenant généralement pas d’éléments d’alliage (à l’exception des additions nécessaires à l’élaboration ; Mn ≤1,65%, Si ≤ 0.5%

éventuellement Al≤ 0,1%) [42]. Leur état structural ne confère pas à ces aciers une résistance mécanique élevée, mais il leur donne une grande plasticité assurant une bonne sécurité d’emploi et facilitant le soudage. Parmi ces aciers, on trouve :

les aciers de construction métallique : ces aciers contiennent souvent du manganèse (teneur inférieure à 1,7% environ) et parfois des micro- additions du niobium (0,05%) et/ou du vanadium (moins de 0,15%) [42].

Les aciers pour appareils à pression : ces aciers doivent satisfaire à des exigences particulières relatives à leur résistance à la rupture fragile (température de transition) et, lorsqu’ils sont employés à température supérieure à l’ambiante, à leur limite d’élasticité à chaud et à leur tenue au fluage [ibid.].

Les aciers pour emboutissage et pliage à froid : ce sont des aciers non alliés (et généralement à basse teneur en carbone) livrés en produits plats, auquel il est demandé de présenter des propriétés particulières de ductilité, d’emboutissage et d’état de surface.

1.5.2.5.2.2. Les aciers martensitique revenu

Les aciers utilisés à l’état martensitique et revenu sont des alliages fer/carbone qui peuvent :

− ne pas contenir d’éléments d’alliage ; ils sont alors dits non alliés. Leur désignation commence par la lettre C suivie de la teneur moyenne en

Page | 22 carbone multipliée par 100, suivie elle-même de symboles précisant des données ; ainsi, E indique que la teneur en soufre est limitée supérieurement, R indique que la teneur en soufre est bornée à la fois inférieurement et supérieurement ; par exemple, C35R signifie : acier non allié à teneur en carbone moyenne de 35/100 (0,35%) et à teneur en soufre comprise entre 0,020% et 0,040% [42] ;

− contenir des éléments d’alliage (pour améliorer leur trempabilité et provoquer la précipitation des carbures spéciaux) ils sont alors dits alliés.

Leur désignation précise leur composition chimique moyenne ; elle commence par la teneur moyenne en carbone multipliée par 100, suivi des symboles chimiques des éléments d’alliage, eux-mêmes suivis d’indications chiffrées concernant les teneurs moyennes en ces éléments ; par exemple, 34CrMoS4 signifie : acier allié à teneur en carbone moyenne de 34/100 (0,34%) et à teneur moyenne en chrome de 4/4 (1%), la teneur en soufre étant comprise entre 0,02 et 0,04% [ibid.].

L’état structural d’emploi, qui est différent de l’état de livraison, est généralement obtenu, après mise en forme, par un traitement thermique de trempe et de revenu (nous y reviendrons). Cet état confère à ces aciers une résistance mécanique élevée tout en conservant une plasticité suffisante pour assurer une bonne sécurité d’emploi. Parmi ces aciers, on trouve :

les aciers de construction mécanique : ces aciers sont destinés à subir des traitements thermiques et doivent, de ce fait, répondre à des exigences relatives à leur trempabilité. Des éléments d’alliage (chrome, nickel, molybdène, vanadium notamment et parfois silicium) apportent surtout la trempabilité et, éventuellement, des aptitudes particulières au durcissement secondaire. Les plus alliés peuvent atteindre des niveaux élevés de résistance et sont susceptibles d’être utilisés à des températures extrêmes [42].

Page | 23 Les aciers à outils : parmi ces aciers spéciaux on distingue :

• les aciers non alliés pour travail à froid, qui sont des alliages fer/carbone hypereutectoïdes aptes aux traitements thermiques avec, pour certains, de très faibles teneurs en éléments résiduels et, pour d’autres, de petites additions de chrome (≤ 0,50%) ou de vanadium (≤ 0,15%) [ibid.].

• Les aciers alliés pour travail à froid, catégorie comportant des aciers résistant à l’usure à hautes teneurs en carbone, des aciers résistant aux chocs avec des teneurs en carbone modérées (0,3 à 0,6%), et des aciers résistant à certaines corrosions (hautes teneurs en chrome).

• Les aciers alliés pour travail à chaud, dont le traitement thermique met en œuvre le durcissement secondaire (ils contiennent de fortes teneurs en éléments carburigènes). Le revenu, après trempe, est réalisé vers 500-600°C ; il permet de conférer à ces aciers une bonne stabilité structurale et autorise ainsi leur emploi à chaud.

Parmi eux on distingue les aciers qui résistent aux chocs mécaniques, ceux qui résistent aux chocs thermiques, ceux qui résistent à l’usure à températures élevées et les aciers employés à très haute température.

• Les aciers à coupes rapides couramment appelés aciers rapides, dont les éléments d’alliage de base sont le tungstène, le molybdène, le vanadium et le chrome avec des teneurs en carbone de l’ordre de 0,7 à 1% (aciers de base) ou supérieures à 1% (aciers surcarburés), et éventuellement des additions de cobalt (5 à 10% pour améliorer la tenue à chaud). Leur traitement thermique particulier comporte, après trempe martensitique deux revenus réalisés vers 575°C (le premier décompose la martensite et déstabilise l’austénite résiduelle

Page | 24 qui se transforme en martensite au cours du refroidissement qui suit, le second décompose cette martensite vierge) [42].

1.5.2.6. Influence des éléments d’alliages 1.5.2.6.1. Le Carbone

Elément essentiel pour durcir l'acier. Au-delà de 0.6% de carbone, on atteint la zone des aciers à outils caractérisée par de hauts niveaux de dureté et qui correspond au domaine des aciers de travail à froid des aciers à coupes rapides [11]. L'augmentation progressive de la teneur en carbone conduit à une réduction des domaines de température correspondant à la transformation à chaud et au traitement thermique [48].

1.5.2.6.2. Le Chrome

Cet élément est utilisé dans la plupart des aciers à outils, en quantité allant de 0.5 à 17%. Le chrome joue un rôle essentiel dans l'augmentation de la trempabilité. Il forme des carbures qui participent à la résistance à l'abrasion et s'opposent au grossissement de grains lors de l'austénitisation [20]. Il provoque, par ailleurs, un certain retard à l'adoucissement lors du revenu, ce qui améliore la résistance à chaud. Il entraîne également une très forte réduction de l'oxydation à haute température [48-55].

1.5.2.6.3. Le Cobalt

II est communément ajouté en quantités variables entre 3 et 15 %, notamment dans les aciers rapides qui travaillent dans des conditions sévères. II permet d'effectuer la trempe à des températures plus élevées. II accroît la dureté à chaud dans toute l'échelle de température allant de l'ambiante à 600 °C et retarde le

Page | 25 vieillissement de l'acier au-delà du durcissement secondaire [30]. II améliore également la résistance à l'oxydation catastrophique de l'acier lors du chauffage entre 1 000 et 1 100°, surtout pour des teneurs supérieures à 5 %. Par contre, il diminue la ductilité de l'acier pour des teneurs supérieures à 3 % et a une action néfaste sur la trempabilité, si bien que les nuances à forte teneur en cobalt posent des problèmes d'obtention de dureté pour des outillages de dimensions importantes [16].

1.5.2.6.4. Nickel

Le nickel, à l'exception de certains aciers d'outillages à chaud, se trouve simplement comme élément résiduel dans les aciers à outil, à des teneurs inférieures à 0,3 % [36]. En raison de son influence directe sur le taux d'austénite résiduelle après trempe, cet élément entraîne des difficultés de traitement thermique au revenu dans les aciers à outil chargés en carbone et éléments carburigènes. Il a une influence favorable sur la trempabilité, la résistance aux chocs et la ténacité, mais défavorable sur la résistance au revenu [48].

1.5.2.6.5. Manganèse

Le Manganèse a, sur le comportement des aciers à outil, une influence analogue à celle du nickel. II se trouve, en général, présent comme élément résiduel à des teneurs comprises entre 0,3 et 0,5 %. Certains aciers à outil contiennent jusqu'à 2 % de manganèse pour des problèmes de trempabilité [26].

1.5.2.6.6. Tungstène

Le tungstène ne se met que très peu en solution dans la cémentite, mais donne naissance à des carbures de haute dureté conférant aux aciers une grande

Page | 26 résistance à l'usure. De plus il offre, il offre la possibilité de durcissement secondaire. Par la présence de carbures primaires, le tungstène diminue la tendance des aciers au grossissement du grain par surchauffe. Sa forte masse atomique en fait un élément très ségrégé, d'où une augmentation sensible de l'hétérogénéité de l'acier.

Les aciers à outils au tungstène sont peu sensibles à la décarburation, mais ont une résistance thermique assez faible [48].

1.5.2.6.7. Molybdène :

Ils se comportent comme le tungstène. Les aciers au molybdène présentent par rapport aux aciers au tungstène, un certain nombre d’avantages et d’inconvénients :

Avantages : meilleure ductilité et densité plus faible.

Inconvénients : plus grande sensibilité á la décarburation et au phénomène d'oxydation catastrophique pour des maintiens entre 1 000 et 1 100 °, plus grande sensibilité au phénomène de surchauffe, d'où réduction de la fourchette de température de trempe [ibid.].

1.5.2.6.8. Vanadium :

Utilisé essentiellement comme élément générateur de carbures. C'est un élément d'alliage important dans les aciers rapides pour l'obtention d'une bonne dureté à chaud et une bonne résistance à l'usure. De petites additions voisines de 0.2%

en masse sont très efficaces pour éviter le grossissement du grain lors du traitement thermique. Le Vanadium est rarement utilisé seul dans les aciers à outil, mais la plupart du temps en association avec le chrome, molybdène et le tungstène.

La teneur en vanadium est étroitement associée à la teneur en carbone. Pour

Page | 27 chaque 1% de vanadium ajouté, il faut augmenter la teneur massive en carbone de 0.25%. Des additions de vanadium trop importantes entraînent des problèmes de trempabilité, et des additions de carbone trop importantes entraînent des difficultés de forgeage [ibid.].

1.5.2.7. Les traitements thermiques 1.5.2.7.1. Définitions et généralités

Le traitement thermique est un ensemble d’opérations ayant pour but des transformations structurales effectuées sur les matériaux à l’état solide, sous l’influence de cycles de température convenablement choisis afin de leur conférer des propriétés particulières (NF A 02-010) [17].

La plupart des matériaux sont susceptibles de subir des traitements thermiques.

C’est ainsi que l’on peut modifier les structures des matières plastiques, des verres, des céramiques, mais ce sont les matériaux métalliques (métaux et alliages), qui offrent les plus grandes possibilités de traitements thermiques : on peut même dire que c’est grâce à eux que l’on peut en tirer le plus grand profit [ibid.]. Malheureusement par exemple, une plus grande résistance mécanique d’un alliage s’accompagne presque toujours d’une plus grande fragilité ou d’un allongement à la rupture plus faible. Il en résulte une résistance aux chocs ou une résilience très basse, ou une possibilité de fissuration sous l’effet de concentrations de contraintes locales, ce qui apporte un certain risque à l’utilisation. Dans les rares cas où l’augmentation de résistance mécanique ou de dureté n’est pas assortie d’une baisse de résilience, on possède alors des alliages particulièrement séduisants.

1.5.2.7.2. Les traitements de durcissement dans la masse Ils consistent à provoquer la formation :

Page | 28

− de la plus forte proportion de martensite grâce à un refroidissement réalisé dans un milieu judicieusement choisi après austénitisation ; c’est le durcissement par trempe martensitique au cours duquel on pourra tolérer l’apparition d’une certaine proportion de bainite ;

− de bainite par une procédure particulière de refroidissement permettant le développement de la transformation de l’austénite en conditions quasi isothermes (trempe interrompue bainitique) [43].

Le procédé de traitement thermique se compose de :

Figure 1.4 : procédé d’un traitement thermique dans la masse [11]

AB : l'échauffement à des températures supérieures aux températures de transformation (par exemple : 4* ).

BC : maintient à une température définie.

CD : refroidissement avec une vitesse donnée : - lente (dans le four, à l'air).

- Assez rapide (dans l'huile).

- Très rapide (dans l'eau) [11].

Par rapport à l’échauffement des pièces

Il existe deux possibilités pour le chauffage des pièces : Par transmission de la chaleur

Page | 29 On distingue trois possibilités :

− par conductibilité : La pièce est chauffée dans un four ordinaire où elle n’est en contact qu'avec le sol du four, elle ne reçoit par conductibilité qu'une petite quantité de la chaleur dépensée.

− par convection : Dans ce cas, la pièce est chauffée par contact avec un fluide chaud (gaz ou liquide) qui se déplace et lèche la pièce en lui cédant une grande partie de la chaleur dépensée.

− par rayonnement : La chaleur absorbée par les parois et la voûte du four est rayonnée vers la pièce qui l'absorbe. C'est le cas où l'apport de chaleur est le plus important.

Dans la plupart des cas, le chauffage des pièces, est effectué simultanément par convection et rayonnement.

Par production de la chaleur dans la pièce

C'est une possibilité de chauffer la pièce en créant dans cette dernière un flux de courant, soit par l'utilisation de la pièce comme conducteur dans un circuit électrique (chauffage par résistance) ou l'emplacement de la pièce dans un champ variable (chauffage par induction) comme le montre la figure 1.5 Cette méthode est utilisée surtout pour les pièces à sections petites et uniformes.

On peut obtenir des vitesses de chauffage très élevées. Par exemple pour une pièce de section Ø150 , la durée de chauffage pour atteindre 6 = 1 200°

est de :

− 20 ! pour le chauffage par induction.

− 8 ! pour le chauffage par résistance.

− 2 à 3 ℎ:,; pour le chauffage dans un four [ibid.].