.LFA ETUDE DU COMPORTEMENT EN USURE DE L'ACIER DE ROULEMENT 100C6 TRAITE PAR CHOC LASER-PREMIEREAPPROCHE. Responsables : Par Iryna Y AKIMETS

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1 u.tc Université Compiègne de Technologie.LFA Spécialité: Sciences Mécaniques pour l'ingénieur Option: Mécanique des matériaux ETUDE DU COMPORTEMENT EN USURE DE L'ACIER DE ROULEMENT 100C6 TRAITE PAR CHOC LASER-PREMIEREAPPROCHE Par Iryna Y AKIMETS Responsables : G. BERANGER, Professeur C. RICHARD, MaÎtre de conférence ;.'ij Septembre, 2000

2 .~nmm A TRR SOMMAIRE REMER CIEMENT 2 SOMMAIRE 3 INTRODUCTION 6 CHAPITRE I. ETUDE BIBLIOGRAPmguE TRAITEMENT DE SURFACE PAR CHOC LASER Traitement superficiel Physique du choc laser Interaction laser-matière Superposition des impacts du laser Synthèse des résultats précédents sur le traitement par choc laser TRIBOLOGIE ET METHODES D'ANAL YSE DE SURFACE Généralités Les facteurs d'usure Mode de contact Etat de surface microgéométrique La charge La vitesse Environnement Nature des matériaux Les mécanismes d'usure L'usure adhésive L'usure abrasive L'usure corrosive L'usure de surface par fatigue Taux d'usure CONTACT DE ROULEMENT ET GLISSEMENT Mécanisme du contact de roulement et glissement Calculs de contact CHAPITRE II. APPAREILLAGE ET MATERIAUX UTILISES 20 Il-1. APPAREILLAGE 21 Il-1.1. Tribomètre Il-1.2. Rugosimetres utilisés Il-1.3. Autres appareils utilisés

3 ..')OMMATR~ Il-2. MATERIAUX UTILISES Il-2.1. Matériau-frotteur Il-2.2. Matériau-frotté avent traitement par choc laser Il Composition chimique Il Observation de la structure initiale Il-2.3. Matériau-frotté après traitement par choc laser CHAPITRE Ill. ETUDE DU TRAITEMENT PAR CHOC LASER ETAT DE SURFACE MICROSTRUCTURE Analyse par diffraction des rayons x Analyse microstructurale CONTRAINTES RESIDUELLES DURETE Dureté de la surface Dureté en profondeur CHAPITRE W. ETUDE DE L'USURE ET DU FROTTEMENT 42 IV-1. COMPARAISON DE L'USURE DE L'ACIER NON TRAITE ET TRAITE PAR UN ET DEUX PASSAGES DE CHOC LASER 43 IV-1.1. Condition d'essais de frottement IV-1.2. Evolution du coefficient de frottement IV Périodes d'accommodation et de stabilisation IV Caractérisation des courbes pour l'acier non traité et traité IV Mécanismes de frottement IV-1.4. Etude de l'usure IV Profil de la piste IV Rugosité et ondulation de la surface après le frottement IV Mécanisme possible de l'usure IV-1.6. Perte de masse IV-2. COMPARAISON DE L'USURE DE L'ACIER NON TRAITE ET TRAITE SOUS DIFFERENTES PRESSIONS 53 IV-2.1. Conditions des essais de frottement IV-2.2. Evolution des coefficients de frottement IV-2.3. Contraintes introduites par le frottement IV Résultats expérimentaux

4 .C\nMM A TRR IV Contraintes résiduelles introduites au cours du contact de roulement IV-2.4. Profils des pistes IV-2.5. Perte de masse CHAPITRE V. SYNTHESE DES RESULTATS ET CONCLUSION 65 CHAPITRE VI. PERSPECTIVES 73 BIBLIOGRAPHIE 76 ANNEXE 81 ANNEXE Il 83 ANNEXE III 85 ANNEXE IV 86 ANNEXE V 87 ANNEXE VI 98 ANNEXE VII 93 ANNEXE VIII 96 5

5 TN'T'Rnrn TrTTn/\T INTRODUCTION Lors de leur emploi, les matériaux sont soumis à diverses sollicitations mécaniques, thermiques et chimiques qui concernent suivant les cas, soit le volume, soit la surface, soit les deux. Ces sollicitations conduisent souvent à des dégradations des matériaux. Celles dues aux phénomènes des contacts de roulement sont fréquentes et certainement parmi les plus difficiles à étudier. On peut observer une très grande variété de défauts allant des fissures macroscopiques comme celles rencontrées sur les rails (tache ovale, écaillage,...) jusqu'aux défauts microscopiques (fretting, micropîqures) qui peuvent exister sur les engrenages. Certains de ces défauts ne présentent pas de grands dangers pour la structure; d'autres au contraire peuvent entraîner des catastrophes s'ils ne sont pas détectés à temps. Pour anoblir les surfaces et leur conférer des propriétés fonctionnelles adaptées, on a recours à des traitements de surface. Il existe une très grande variété de traitements dont la description a été faite récemment dans une école du CNRS [1]. L'un des derniers traitements proposés consiste à faire du choc laser (Laser Schock peening). La méthodologie ainsi que la physique du phénomène ont déjà fait l'objet de plusieurs travaux. Par contre l'influence d'un tel type de traitement sur les propriétés d'emplois des matériaux n'a été que fort peu étudiée. Des études sont actuellement en cours pour répondre à cette préoccupation. A titre d'exemple, on peut citer une étude portant sur l'influence d'un traitement par choc laser sur la corrosion localisée par piqûres de différents aciers et notamment d'aciers inoxydables austénitiques. Nous avons pour notre part, dans le cadre d'un tel programme, étudié le rôle de ce traitement sur la tenue à l'usure d'un acier de roulement. D'une façon générale, il faut préciser qu'en roulement, les conditions nécessaires pour l'apparition des défauts sont encore mal modélisées, à cause principalement de deux difficultés qu'il faut surmonter : La première réside dans l'évaluation des grandeurs thermomécaniques (cycles de contraintes, de déformations plastiques, de température ainsi que leur évolution) dans la zone au voisinage du contact et qui sont responsables des endommagements. On ne mesure en général que la coefficient de frottement global et il est souvent difficile de savoir si le contact, répété et mobile, relève du régime de glissement partiel ou total. De même, si on dispose d'un certain nombre de résultats, (notamment analytiques), les méthodes disponibles pour évaluer les grandeurs mécaniques sous le contact dans le domaine élastoplastique sont plus rares. La deuxième difficulté provient de l'absence de méthode (notamment de critères), pour étudier les phénomènes supetiiciels d'endommagement sous sollicitations multiaxiales, comme c'est le cas justement des états de contraintes induits par les contacts entre solides. Pour ces types de chargements, aucune des directions principales de tenseur des contraintes ne reste fixe par rapport à la matière et dans ces cas, les critères de fatigue existants disponibles ne sont pas applicables. Ces critères cependant ne peuvent pas être identifiés par des essais d'une autre nature que ceux de roulement. Sortis de leur contexte (par exemple en changeant simplement la géométrie), il est probable que ces critères ne permettraient plus de prévoir la fissuration observée. Les deux types de difficultés sont très imbriqués puisque dans ces problèmes, où l'évaluation des cycles thermomécaniques est souvent encore à faire, il est illusoire de proposer des critères dépendant de paramètres qu'on ne sait pas bien calculer. Une démarche a été récemment proposée [2]visant à surmonter ces deux difficultés dans un certains nombre de cas spécifiques. 6

6 INTRODUCTION Elle permet d'évaluer les contraintes résiduelles engendrées par les contacts répétés et de connaître numériquement la nature de l'état asymptotique (adaptation élastique, accommodation). Toutes ces grandeurs sont indispensables comme données d'entrée pour n'importe quel critère d'amorçage ou de propagation des fissures dans les problèmes de roulement. Une première approche de cette méthodologie sur l'évaluation des grandeurs mécaniques induites (coefficient de frottement, contraintes résiduelles, usure) par un contact linéaire en roulement -glissement, en sens unique, constitue ce travail d'étude de DEA dans le cas du couple de frottement suivant: acier traité trempé 40CrMoV13 pour le matériau «frotteur» et l'acier de roulement 100C6 traité par choc laser pour le matériau «frotté». 1 Revêtements et traitements de surface : Fonctionnalité, durabilité, procédés, Eds : S. Audisio, M. Gaillet, A. Galerie, H. Mazille, Ecole thématique du GNRS, Les hauts de Marquay, Presses Polytechniques et universitaires Romandes, , K. Dang Van, Modélisation des phénomènes de fissuration en roulement, Matériaux et contacts -une approche tribologique, G. Zambelli & L. Vincent, Presses Polytechniques et universitaires Romandes, chapitre pp ,