Le 21 février 2001
publicité
Le 21 février 2001 Traitements thermiques Janssens Damien Claude Olivier 3 EM Série 1" Binôme 7 Chapitre 1 : Prise de connaissance de notre acier Notre nuance d'acier est du 90 MnV 8. C'est un acier pour travail à froid mais nous détaillerons ses différentes utilisations par la suite. Selon les pays et les normes en vigueur dans ces pays, notre acier peut prendre les plusieurs dénominations. Ainsi, selon les normes françaises ( Afnor ) il se nomme 90 MV8, dans les normes américaines ( normes de l'a"Association of Iron and Steel Engineers" ) c'est de l'acier O2 et pour les Anglais ( normes B.S. ) c'est de l'acier BO2. Ces différentes références ont été trouvées dans " The Metals Black Book ", ouvrage disponible à la bibliothèque. Notre acier peut aussi être désigné sous l'appellation 1.2842 selon le livre …. La composition exacte de notre acier est la suivante : …….. à chercher. Nous remarquons que notre acier contient un certain nombre d'éléments d'alliage présents en quantité différente. Les deux alliages qui sont pourtant le plus présent sont, comme l'indique le nom de l'acier, le manganèse ( Mn ) et le vanadium ( V ). Nous allons maintenant citer les différentes propriétés entraînées par la présence de ces alliages. Mn : - Désoxyde le matériau. Lie le soufre et réduit l'influence des sulfures de fer. Cette propriété permet d'utiliser ce métal comme acier à décolletage, c'est à dire servant à la fabrication de pièces diverses sur un tour par usinage sur une même barre de métal. Diminue la vitesse critique de refoulement, ce qui a comme conséquence d'augmenter la trempabilité. Augmente la limite élastique et la résilience du métal. A une influence positive sur l'aptitude au forgeage et au soudage si pourcentage de carbone élevé La présence de manganèse entraîne encore différentes propriétés mais dans notre cas, le pourcentage de Mn n'est pas assez élevé. V: - Affine le grain primaire Puissant générateur de carbures. Cela entraîne l'accroissement de la résistance à l'usure, de la tenue en coupe et à la chaleur. Alliage de V utilisé dans les aciers rapides, de travail à chaud et résistant au fluage à température élevée. Amélioration de la résistance au revenu, diminution de la sensibilité à la surchauffe. Favorise l'aptitude au soudage des aciers de traitement. Augmentation de la résistance à l'hydrogène sous pression grâce à la constitution de carbures. Diminution de la zone de la zone et déplacement du point de Curie à des températures plus élevées. 2 Chapitre 2 : Etude des conditions de trempe et de revenu Nous avons, tout d'abord, déterminé les conditions de trempe ( température et trempant ) à appliquer à notre rondelle et à nos deux éprouvettes. Nous avons pour cela confronté les données fournis par différents ouvrages. 1. Notre première source fut le livre gris. Celui-ci nous donne un intervalle de température allant de 790°C à 820°C et le trempant proposé est l'huile. 2. Notre seconde source fut le livre vert. Celui-ci propose exactement les mêmes conditions. 3. Notre dernière source se situait dans les " Techniques de l'Ingénieur ". La température de trempe est là de 800°C et le trempant est l'huile. Pratiquement, nous avons réalisé la trempe à l'aide d'un four nous permettant de chauffer la pièce et d'une friteuse contenant un volume d'huile à température ambiante nous permettant de réaliser la trempe. Nous avons ensuite calculé la dureté de nos rondelles. Celle-ci devrait théoriquement être plus élevée que la dureté après normalisation car ?????. En pratique, c'est aussi le cas car les duretés obtenues varient selon les essais de 62 à 64 HRC. Un matériau possédant cette dureté n'est pas utilisable car trop fragile et cassant. Nous n'avons même pas effectué d'essai de traction sur ces éprouvettes trempées car le matériau est vraiment trop fragile et son diagramme de traction ne donnerait aucun résultats intéressants. Nous allons donc effectuer un revenu ayant pour but de diminuer cette dureté afin de rendre à nouveau le matériau utilisable. Nous allons essayer d'atteindre la limite de fragilité qui se situe aux alentours de 55 HRC. Nous avons deux moyens pour déterminer les températures de revenu. 1. Le premier est de prendre la température indiquée dans le livre vert. Celle-ci est de 300°C. 2. Notre deuxième solution est d'utiliser les formules empiriques trouvées dans un autre ouvrage. HRC = K – ( - ) / avec HRC = 55 = 16,7 = 17,8 K = Kc + Kx + Kg = 70 + ( 2,8 + 1,6) +1 = 75,4 rem : les valeurs de , de et les différentes valeurs de K sont trouvées dans des tables. Après calcul : = 358,48 °C 3 Cette valeur est obtenue pour une durée de revenu de 1 heure. Nous allons faire le calcul pour une durée de 4 heures. T * [ log t + f(% C) ] = Tx [ log tx + f(% C) ] avec f(% C) = 21,3 - 5,8 * (% C) = 16,08 tx = 4 h Tx = 358 + 273 = 631 K t=1h Après calcul : T = 654 K ou t = 381°C Après réflexion nous décidons d'effectuer deux revenus différents. Pour cela nous décidons de particulariser une de nos éprouvettes en lui faisant subir un petit coup de meule. Celle sera revenue à une température d'environ 380 °C tandis que l'autre, l'éprouvette non meulée, sera revenue à une température de 300°C. Nous devrions théoriquement voir l'action de ces revenus différents sur le comportement des matériaux à la traction. Essai de traction revenue Mesure de la dureté revenue Chapitre 3 : Diagramme de dilatation différentielle La dilatométrie est une méthode qui permet d'identifier les températures et les compositions chimiques auxquelles s'effectuent des changements de phase. Nous allons mesurer l'allongement d'un barreau de métal dû à un échauffement. Nous allons regrouper les résultats dans un diagramme donnant l'allongement du barreau en fonction de la température grâce à une table traçante reliée au four. Théoriquement ce dessin devrait se représenter sous la forme d'une droite car l'évolution de l'allongement en fonction de la température est linéaire selon la fonction : L = ( L – L0 ) / L0 = * t avec L = longueur du barreau à une température t L0 = longueur initiale du barreau (dans notre cas 10,00 mm) = coefficient de dilatation linéaire considéré comme moyen entre 0 et t °C t = température en °C Le coefficient angulaire de cette droite vaut, dés lors, ce coefficient de dilatation. A certains moments, la droite change brusquement d'orientation. Cela est dû à des changements de phases ou à des transformations internes au matériau. Les différentes particularités de la courbe dilatométrique citées plus haut sont aisément visibles sur la courbe de référence données par les enseignants au cours de la séance. Pour ce diagramme théorique, le coefficient de dilatation vaut 17 * 10 -6. Nous avons à notre tour exécuté un essai de dilatométrie. Notre courbe est reprise en annexe. Nous remarquons directement que cette droite est très éloignée de la droite théorique. Il existe tout d'abord des irrégularités dans le comportement linéaire de la droite. Ces défauts sont de causes multiples : par exemple l'extrême sensibilité du capteur, les vibrations d'origine humaine par exemple dues aux pas d'étudiants à coté du capteur. Grâce à cet essai nous pouvons déterminer différentes grandeurs : 4 a) Détermination du coefficient de dilatation linéaire réel : Sur notre graphe, nous pouvons tracer une droite au milieu des irrégularités de la droite dessinée. Sur cette droite idéale, nous prenons deux couples de points, par exemple (660°C / 66*10-4 mm) et (270°C / 0 mm). Ces deux points sont notés en rouge sur le dessin. Lorsque nous remettons ces valeurs dans la formule d'une droite ( y = a * x + b ) nous trouvons une valeur de a ( soit le coefficient angulaire ou dans notre cas le coefficient de dilatation ) de 16,9 * 10 -6. Voici le détail du calcul : 0 = 270 * a + b 66 * 10–4 = 660 * a + b a = 66 * 10–4 / ( 660 – 270 ) = 16,9 * 10-6 b) Le point de transformation A0. Ce point est le point de passage de l'état ferromagnétique à l'état paramagnétique. Il est aussi appelé le point de Curie. c) Le point de transformation Ac1. Ce point correspond à la température de la réaction eutectoïde. Dans notre cas, il se situe au premier net changement de pente c'est à dire à une température avoisinant les 720°C. d) Le point de transformation Ac3. Ce point correspond à la température en dessous de laquelle l'austénite ( ) commence à se transformer en ferrite ( ). Comme notre acier est hypereutectoïde ce point n'est pas d'application. Il faut le remplacer par le point ACM qui correspond à la température en dessous de laquelle la cémentite commence à précipiter dans l'austénite. Ce point correspond au second net changement de pente c'est à dire pour une température de 750°C. e) La température maximum de revenu. Cette température doit être inférieure à ACM car un revenu à une température supérieure entraînerait une remise en solution du carbone dans le domaine austénitique. Cet effet n'est pas désiré car il anéantirait les effets de la trempe. f) La température optimum de trempe.??????? g) Le pourcentage approximatif de carbone. Le syllabus de dilatométrie disponible au laboratoire nous donnait une démarche nous permettant de déterminer le pourcentage de carbone dans notre acier. Après avoir utilisé cette méthode nous trouvons une valeur de 0,33 %. Il existe une grande différence entre cette réponse et la valeur réelle de notre acier ( 0,9 % C ). Nous n'avons pas de raisons pour justifier cette différence. Chapitre 4 : Théorie, essais et interprétations de l'essai Jominy Nous allons maintenant étudier la trempabilité de notre acier, c'est à dire la faculté de celui-ci à donner lieu à des transformations bainitiques ou martensitiques après une opération de trempe. Cette trempabilité dépend d'un certain nombre de paramètres dont par exemple la quantité de carbone, les éléments d'alliage ou la grosseur du grain austénitique. Il existe différentes méthodes pour définir cette trempabilité. La première de celles-ci est la comparaison des diagrammes T.T.T. ou T.R.C.. Ce diagramme donne une très bonne 5 idée de la trempabilité d'un acier mais sa réalisation est longue et coûteuse. Nous allons donc passer à des méthodes d'étude quantitative moins coûteuse, plus simple mais donnant des résultats moins précis. Par celles-ci il existe la méthode qui consiste en l'établissement des courbes de pénétration de trempe ( plus communément appelé "courbe en u " ). Cette méthode est surtout d'application aux Etats-Unis. Dans notre cas, nous utiliserons une autre méthode, l'essai Jominy. Nous allons maintenant décrire la démarche de cet essai. La première étape a été de chauffer notre pièce à une température permettant son austénitisation. Nous l'avons donc maintenue dans le four durant 30 minutes à une température de 800 °C. Ces données de temps et de température sont normalisées et ont été trouvées dans le fascicule prêté par les enseignants lors de la séance. L'étape suivante est la trempe. Il existe un matériel spécifique pour cette opération. Toutes les grandeurs sont normalisées doivent être respectées pour obtenir un essai correct. La figure suivante montre le dispositif nécessaire à la réalisation correcte d'un essai Jominy. Le dessin est tiré du syllabus de matériaux de Mlle Demeuldre. Image Le plus délicat est de tremper l'éprouvette car il s'agit de se coordonner car toutes les opérations ( dans l'ordre : prise de l'éprouvette dans le four, pose sur la buse et ouverture du robinet ) doivent être fait dans un délai de 5 secondes afin que la trempe ait bien lieu par l'eau et non par l'air. Après quelques essais, pour s'entraîner, nous avons réalisé l'opération pour de bon et tout s'est bien déroulé. Nous avons ensuite préparé notre éprouvette à subir les essais de dureté. Nous avons réalisé deux méplats. Le premier, d'une épaisseur quelconque est destiné uniquement à stabiliser l'éprouvette lors des prises de dureté. Le second méplat est lui d'une épaisseur normalisée, épaisseur donnée par la théorie de l'essai Jominy. Nous avons pu réaliser ces méplats par passes successives à l'aide d'une rectifieuse. Nous avons alors pris différentes mesures de dureté, par la méthode de mesure de dureté HRC ( Hardness Rockwell Cone ) . Chaque prise de mesure était espacée de 1/16 de pouce ( soit 1,58 mm ) en partant de l'extrémité de l'éprouvette jusqu'à l'autre extrémité. Nous avons repris les différentes mesures dans un graphe donnant la dureté en fonction de la distance par rapport à l'extrémité trempée. Ce graphe est repris en annexe ( numéro de l'annexe ). De ce graphe, nous pouvons tirer certaines conclusions : Tout d'abord, nous remarquons que la courbe n'est pas parfaite. Elle présente certaines irrégularités dues aux imprécisions de mesure, à une trempe imparfaite selon les endroits ou à encore d'autres causes. Cette remarque est surtout valable pour le début de la courbe, pour des distances faibles. Nous avons donc tracé la courbe au milieu de ces irrégularités. Nous remarquons ensuite que la dureté de la courbe est plus faible à l'extrémité de la courbe que 5 à 10 mm plus loin. Nous n'avons pas d'explication à ce phénomène. On pourrait mettre en cause les imperfections de la courbe citées plus haut mais la différence est trop importante pour pouvoir dire cela. 6 Nous pouvons conclure que ce matériau a une très bonne trempabilité car les effets de la trempe se prolongent longtemps dans la matière. Ainsi, nous pouvons dire qu'à 18…19 mm de l'extrémité l'effet de la trempe se fait encore sentir car la dureté est encore très élevée. Nous avons alors essayé de déterminer, grâce au graphe fourni par les enseignants en annexe ( numéro de l'annexe ), la composition métallographique de notre acier en fonction de son niveau de dureté. La feuille fournie en annexe est le diagramme pour un acier qui a une composition légèrement différente de la nôtre. Il ne contient par exemple que 0,81 % de C mais ces alliages principaux sont comme dans le cas de notre acier le vanadium ( V ) et le manganèse ( Mn ). Dans une première étude, nous pouvons quand même employer ce graphe. Nous voyions dés lors que notre matériau peut se composer de quatre types de structure. Dans un classement selon la dureté décroissante cela donne : 1. 2. 3. 4. La martensite La bainite La ferrite La cémentite Comme notre matériau a été trempé par une extrémité, les structures les plus dures se retrouvent de ce coté. Nous avons donc décidé de couper notre éprouvette à différents endroits dans le but de pouvoir visionner, après polissage et nettoyage, ces différentes structures. Nous décidons donc d'effectuer la première coupure à une distance de 12 mm de l'extrémité trempée avec l'idée de pouvoir y voir la structure de la martensite. Notre seconde coupure sera faite à une distance 23 mm avec l'espoir de pouvoir voir la structure bainitique. Notre dernière section sera prise à une distance de 46 mm de l'extrémité trempée dans le but de pouvoir y voir la ferrite. Le lieu de ces trois coupures est repris dans l'annexe …. Le tronçonnage a eu lieu sur une machine adaptée où les seules difficultés résidaient dans le fait de ne pas appliquer une pression trop importante sur le disque et de maintenir une lubrification adaptée. Nous avons ensuite pratiqué un polissage mécanique. Celui-ci consistait en une série de polissage à chaque fois suivis de nettoyage ( à l'eau et au savon ) à la fin de chaque étape du polissage. 7
