Un microscope électronique à balayage a été utilisé pour observer la rupture par fatigue et analyser son mécanisme. Parallèlement, un essai de fatigue par flexion rotative a été réalisé sur des échantillons décarburés à différentes températures afin de comparer la durée de vie en fatigue de l'acier testé avec et sans décarburation, et d'analyser l'effet de la décarburation sur ses performances en fatigue. Les résultats montrent que, du fait de la présence simultanée d'oxydation et de décarburation lors du chauffage, l'interaction entre les deux entraîne une augmentation puis une diminution de l'épaisseur de la couche totalement décarburée avec la température. Cette épaisseur atteint une valeur maximale de 120 μm à 750 °C et une valeur minimale de 20 μm à 850 °C. La limite de fatigue de l'acier testé est d'environ 760 MPa, et les fissures de fatigue sont principalement dues à des inclusions non métalliques d'Al₂O₃. La décarburation réduit considérablement la durée de vie en fatigue de l'acier testé, affectant ainsi ses performances en fatigue. Plus la couche décarburée est épaisse, plus la durée de vie en fatigue est courte. Afin de minimiser l'impact de la couche décarburée sur les performances en fatigue de l'acier testé, la température optimale de traitement thermique doit être fixée à 850 °C.
La boîte de vitesses est un élément important de l'automobile.Du fait du fonctionnement à haute vitesse, la zone d'engrènement de la surface de la dent doit présenter une résistance mécanique et à l'abrasion élevée, et le pied de dent doit offrir une bonne tenue à la fatigue en flexion sous l'effet de charges répétées et constantes, afin d'éviter les fissures susceptibles d'entraîner la rupture du matériau. Les recherches montrent que la décarburation est un facteur important influençant la tenue à la fatigue en flexion des matériaux métalliques, et que cette tenue est un indicateur essentiel de la qualité du produit. Il est donc nécessaire d'étudier le comportement à la décarburation et la tenue à la fatigue en flexion du matériau testé.
Cet article présente l'étude du traitement thermique d'un acier pour engrenages 20CrMnTi par décarburation superficielle. L'influence de différentes températures de chauffage sur la profondeur de la couche décarburée est analysée. Un essai de fatigue par flexion rotative, réalisé à l'aide d'une machine d'essai de fatigue à poutre simple QBWP-6000J, permet de déterminer les performances en fatigue de l'acier et d'évaluer l'impact de la décarburation sur ces performances. Cette analyse vise à optimiser le processus de production, à améliorer la qualité des produits et à fournir des recommandations pertinentes. Les performances en fatigue de l'acier sont déterminées par un essai de fatigue par flexion rotative.
1. Matériaux et méthodes d'essai
Le matériau d'essai, destiné à la fabrication d'acier pour engrenages 20CrMnTi, présente la composition chimique principale indiquée dans le tableau 1. Test de décarburation : le matériau d'essai est usiné en éprouvettes cylindriques de Ф8 mm × 12 mm, dont la surface doit être brillante et exempte de défauts. Les éprouvettes sont chauffées dans un four à 675 °C, 700 °C, 725 °C, 750 °C, 800 °C, 850 °C, 900 °C, 950 °C et 1 000 °C, puis maintenues à cette température pendant 1 h. Elles sont ensuite refroidies à l'air ambiant. Après traitement thermique, les éprouvettes sont rectifiées, meulées et polies, puis soumises à une érosion par une solution alcoolique d'acide nitrique à 4 %. La couche de décarburation de l'acier d'essai est observée au microscope métallurgique afin de mesurer sa profondeur à différentes températures. Essai de fatigue par flexion tournante : conformément aux exigences de traitement, deux groupes d’éprouvettes sont préparés pour cet essai. Le premier groupe n’est pas décarburé, tandis que le second l’est à différentes températures. Les deux groupes d’acier sont soumis à un essai de fatigue par flexion tournante à l’aide d’une machine dédiée. La limite de fatigue de chaque groupe est déterminée, leur durée de vie est comparée, et la rupture est observée au microscope électronique à balayage. Les causes de la rupture sont analysées afin d’étudier l’influence de la décarburation sur les propriétés de fatigue de l’acier.
Tableau 1 Composition chimique (fraction massique) de l'acier d'essai (en % massique)
Effet de la température de chauffage sur la décarburation
La morphologie de l'organisation de la décarburation sous différentes températures de chauffage est illustrée sur la figure 1. Comme on peut le constater, à 675 °C, aucune couche de décarburation n'apparaît à la surface de l'échantillon. À 700 °C, une fine couche de ferrite décarburée commence à apparaître. À 725 °C, l'épaisseur de cette couche augmente significativement. À 750 °C, elle atteint sa valeur maximale, et les grains de ferrite sont alors plus nets et plus grossiers. Enfin, à 800 °C, l'épaisseur de la couche de décarburation diminue considérablement, atteignant la moitié de celle mesurée à 750 °C. Lorsque la température continue d'augmenter jusqu'à 850 °C et que l'épaisseur de la couche décarburée est représentée sur la figure 1, à 800 °C, l'épaisseur de la couche totalement décarburée commence à diminuer significativement, atteignant la moitié à 750 °C. Lorsque la température continue d'augmenter jusqu'à 850 °C et au-delà, l'épaisseur de la couche totalement décarburée de l'acier testé continue de diminuer, tandis que l'épaisseur de la couche partiellement décarburée augmente progressivement jusqu'à la disparition complète de la morphologie de la couche totalement décarburée. La morphologie de la couche partiellement décarburée devient alors progressivement plus nette. On constate que l'épaisseur de la couche totalement décarburée augmente d'abord, puis diminue avec la température. Ce phénomène s'explique par le fait que, lors du chauffage, l'échantillon subit simultanément une oxydation et une décarburation. La décarburation n'apparaît que lorsque la vitesse de décarburation est supérieure à celle de l'oxydation. Au début du chauffage, l'épaisseur de la couche totalement décarburée augmente progressivement avec la température jusqu'à atteindre sa valeur maximale. À ce stade, si l'on continue à augmenter la température, la vitesse d'oxydation de l'échantillon devient supérieure à la vitesse de décarburation, ce qui freine l'augmentation de l'épaisseur de la couche totalement décarburée et entraîne une diminution de celle-ci. On constate que, dans la plage de 675 à 950 °C, l'épaisseur de la couche totalement décarburée est maximale à 750 °C et minimale à 850 °C. Par conséquent, la température de chauffage recommandée pour l'acier d'essai est de 850 °C.
Fig. 1 Histomorphologie de la couche décarburée de l'acier d'essai maintenu à différentes températures de chauffage pendant 1 h
Comparativement à la couche semi-décarburée, l'épaisseur de la couche totalement décarburée a un impact négatif plus important sur les propriétés du matériau. Elle réduit considérablement ses propriétés mécaniques, telles que la résistance, la dureté, la résistance à l'usure et la limite de fatigue, et augmente également sa sensibilité aux fissures, affectant ainsi la qualité du soudage. Par conséquent, le contrôle de l'épaisseur de la couche totalement décarburée est crucial pour améliorer les performances du produit. La figure 2 illustre la courbe de variation de l'épaisseur de cette couche en fonction de la température, mettant ainsi en évidence son évolution. On constate que l'épaisseur de la couche totalement décarburée n'est que d'environ 34 µm à 700 °C. Lorsque la température atteint 725 °C, cette épaisseur augmente significativement pour atteindre 86 µm, soit plus du double de son épaisseur à 700 °C. Lorsque la température atteint 750 °C, l'épaisseur de la couche totalement décarburée atteint une valeur maximale de 120 μm ; à mesure que la température continue d'augmenter, l'épaisseur de la couche totalement décarburée commence à diminuer brusquement, à 70 μm à 800 °C, puis à la valeur minimale d'environ 20 μm à 850 °C.
Fig. 2 Épaisseur de la couche totalement décarburée à différentes températures
Effet de la décarburation sur la résistance à la fatigue en flexion par rotation
Afin d'étudier l'effet de la décarburation sur les propriétés de fatigue de l'acier à ressort, deux séries d'essais de fatigue par flexion rotative ont été réalisées. La première série a été soumise à des essais de fatigue directs sans décarburation, tandis que la seconde série a été soumise à des essais de fatigue après décarburation au même niveau de contrainte (810 MPa). Le processus de décarburation a été maintenu à 700-850 °C pendant 1 h. Les résultats de la première série d'éprouvettes sont présentés dans le tableau 2, qui indique la durée de vie en fatigue de l'acier à ressort.
La durée de vie en fatigue du premier groupe d'éprouvettes est présentée dans le tableau 2. Comme on peut le constater dans ce tableau, sans décarburation, l'acier d'essai n'a été soumis qu'à 107 cycles à 810 MPa, sans rupture ; lorsque le niveau de contrainte a dépassé 830 MPa, certaines éprouvettes ont commencé à se rompre ; et lorsque le niveau de contrainte a dépassé 850 MPa, toutes les éprouvettes de fatigue se sont rompues.
Tableau 2 Durée de vie en fatigue sous différents niveaux de contrainte (sans décarburation)
Afin de déterminer la limite de fatigue, la méthode des groupes a été utilisée pour l'acier testé. Après analyse statistique des données, la limite de fatigue de cet acier est d'environ 760 MPa. Pour caractériser la durée de vie en fatigue de l'acier sous différentes contraintes, la courbe S-N a été tracée (figure 3). On observe sur cette figure que différents niveaux de contrainte correspondent à différentes durées de vie en fatigue. Une durée de vie de 7 cycles correspond à 10⁷ cycles, ce qui signifie que l'éprouvette, dans ces conditions, est en état de fatigue. La valeur de contrainte correspondante peut être approximée à la limite de fatigue, soit 760 MPa. Il apparaît ainsi que la courbe S-N constitue une référence importante pour la détermination de la durée de vie en fatigue d'un matériau.
Figure 3 : Courbe S-N de l'essai de fatigue par flexion rotative sur acier expérimental
La durée de vie en fatigue du deuxième groupe d'éprouvettes est présentée dans le tableau 3. Comme on peut le constater, après décarburation de l'acier d'essai à différentes températures, le nombre de cycles est nettement réduit (inférieur à 10⁷), et toutes les éprouvettes se rompent, ce qui diminue considérablement leur durée de vie en fatigue. L'analyse de l'épaisseur de la couche décarburée en fonction de la température révèle que l'épaisseur maximale est obtenue à 750 °C, ce qui correspond à la durée de vie en fatigue la plus faible. À l'inverse, l'épaisseur minimale est obtenue à 850 °C, ce qui correspond à une durée de vie en fatigue relativement élevée. On observe ainsi que la décarburation réduit fortement la résistance à la fatigue du matériau et que plus la couche décarburée est épaisse, plus la durée de vie en fatigue est courte.
Tableau 3 Durée de vie en fatigue à différentes températures de décarburation (560 MPa)
La morphologie de la rupture par fatigue de l'éprouvette a été observée par microscopie électronique à balayage (MEB), comme illustré sur la figure 4. La figure 4(a), relative à la zone d'amorçage de la fissure, présente un arc de fatigue marqué. L'analyse de cet arc permet d'identifier l'origine de la fissure : des inclusions non métalliques en forme d'œil de poisson. Ces inclusions sont susceptibles de provoquer une concentration de contraintes, à l'origine des fissures de fatigue. La figure 4(b), relative à la morphologie de la zone de propagation de la fissure, présente des stries de fatigue bien visibles, disposées en réseau. Ce type de rupture est caractéristique d'une fracture quasi-dissociative, où la propagation des fissures conduit finalement à la rupture. La figure 4(c), illustrant la morphologie de la zone de propagation de la fissure, présente également des stries de fatigue bien visibles, disposées en réseau. Ce type de fracture est caractéristique d'une fracture quasi-dissociative, où la propagation continue des fissures conduit finalement à la rupture.
analyse des fractures de fatigue
Fig. 4 Morphologie MEB de la surface de rupture par fatigue de l'acier expérimental
Afin de déterminer le type d'inclusions de la figure 4, une analyse de composition par spectre d'énergie a été réalisée, et les résultats sont présentés dans la figure 5. On peut constater que les inclusions non métalliques sont principalement des inclusions d'Al2O3, ce qui indique que les inclusions sont la principale source des fissures causées par la fissuration des inclusions.
Figure 5 Spectroscopie énergétique des inclusions non métalliques
Conclure
( 1) Le positionnement de la température de chauffage à 850 ℃ minimisera l'épaisseur de la couche décarburée afin de réduire l'effet sur les performances de fatigue.
( 2) La limite de fatigue de l'acier d'essai en flexion par rotation est de 760 MPa.
( 3) L'acier d'essai se fissure dans les inclusions non métalliques, principalement un mélange d'Al2O3.
( 4) la décarburation réduit considérablement la durée de vie en fatigue de l'acier testé ; plus la couche de décarburation est épaisse, plus la durée de vie en fatigue est faible.
Date de publication : 21 juin 2024
