Influence des éléments d'alliage sur la genèse des contraintes résiduelles d'aciers nitrurés.

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Jegou, Sébastien (2009) Influence des éléments d'alliage sur la genèse des contraintes résiduelles d'aciers nitrurés. Doctorat Mécanique-Matériaux, Laboratoire MécaSurf, ENSAM 2009ENAM0032 p.167.

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Résumé

Les contraintes résiduelles de nitruration ont pour origine les incompatibilités de déformations volumiques issues de la précipitation au cours du traitement. Le gradient de contraintes résiduelles résulte des gradients de composition chimique et de microstructure, ainsi que des incompatibilités de déformations macroscopiques. L’évolution du gradient de déformations volumiques en fonction de la profondeur et du temps de traitement est directement reliée, dans le cas des aciers, aux évolutions thermochimiques. La relaxation des contraintes en proche surface est la conséquence d’une décarburation superficielle. La diminution globale des contraintes au cours du traitement résulte de la transformation des carbures de revenu et de la diffusion du carbone en fonction de la profondeur. Une simulation du traitement de nitruration est développée à partir de la diffusion d’azote et de carbone à l’équilibre thermodynamique calculé grâce au logiciel Thermo-Calc. Un calcul de la variation de volume accompagnant la précipitation est proposé en tenant compte des hypothèses thermodynamiques et mécaniques. Les contraintes résiduelles de la matrice et macroscopiques sont déterminées au travers d’un modèle micromécanique de transition d’échelle de type auto-cohérent. Ce modèle confirme le rôle des cinétiques de transformations de phases, fonction des cinétiques de diffusion, sur l’évolution des contraintes résiduelles au cours du traitement. Ce modèle est appliqué aux nuances synthétiques Fe-3%Cr-0,354%C et industrielles 33CrMoV12-9. Une description détaillée du traitement de nitruration est finalement proposée. Elle aboutit à une meilleure compréhension de l’influence des éléments d’addition sur l’évolution des contraintes résiduelles.

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Table des Matières

1 Introduction 1

1.1 Introduction générale - 1

1.2 Objectifs de l’étude - 2

2 Synthèse bibliographique 3

2.1 Introduction - 4

2.2 La nitruration : procédé et applications - 4

2.2.1 Procédé - 4

2.2.2 Applications - 5

2.3 Microstructure d’une surface nitrurée - 5

2.3.1 Systèmes fer pur et Fe-M (M = Cr, V, Mo ...) - 6

2.3.1.1 La couche de combinaison : diagramme d’équilibre fer-azote . . . 6

2.3.1.2 La couche de diffusion : précipitation des nitrures MN (M = Cr,

V, Mo ...) - 8

2.3.2 Système Fe-C-M ( M = Cr, V, Mo ...) - 9

2.3.2.1 Diagramme d’équilibre fer-azote-carbone - 10

2.3.2.2 L’état initial - 11

2.3.2.3 La couche de diffusion : transformation des carbures en nitrures 12

2.3.2.4 Précipitation de la cémentite - 13

2.4 Diffusion - Gradient de composition chimique - 15

2.4.1 Diffusion de l’azote - 15

2.4.2 « Excès » d’azote - 16

2.4.3 Influence des paramètres procédé et matériau - 17

2.4.4 Transformation des carbures - 17

2.4.5 Diffusion du carbone - 19

2.4.6 Croissance de la couche de combinaison - 19

2.5 Durcissement - Gradient de microstructure - 21

2.5.1 Généralité - 21

2.5.2 Origine - Différences entre les systèmes Fe-N(-M) / Fe-N-C-M - 22

2.5.3 Influence des paramètres procédé et matériau - 25

2.5.4 Croissance/Coalescence - Précipitation Discontinue - 26

2.5.5 Équations de germination-croissance-coalescence - 26

2.6 Les contraintes résiduelles de nitruration - 27

2.6.1 Généralité - 27

2.6.2 Origine des contraintes de nitruration - 28

2.6.3 Influence des paramètres procédé et matériaux - 30

2.6.4 Analyse in-situ / refroidissement - 30

2.6.5 Relaxation des contraintes résiduelles - 31

2.6.5.1 Rôle de la microstructure - coalescence - 32

2.6.5.2 Relaxation par fluage - 32

2.6.5.3 Diffusion du carbone - 33

2.6.6 Influence des contraintes sur la diffusion et la précipitation - 34

2.7 Modélisation du traitement de nitruration - 34

2.7.1 Diffusion / précipitation - 35

2.7.2 Modélisation mécanique - 39

2.8 Bilan - 46

2.8.1 Étude expérimentale - 46

2.8.2 Modélisation du traitement - 48

vi Table des matières

3 Étude expérimentale 51

3.1 Techniques expérimentales - 52

3.1.1 Microscopie optique - 52

3.1.1.1 Préparation des échantillons - 52

3.1.1.2 Équipement - 52

3.1.2 Microscopie à balayage - 52

3.1.2.1 Préparation des échantillons - 52

3.1.2.2 Équipement - 53

3.1.3 Microscopie électronique en transmission - 53

3.1.3.1 Préparation des échantillons - 53

3.1.3.2 Équipement - 53

3.1.4 Filiation de dureté - 53

3.1.5 Diffraction des rayons X - 53

3.1.6 Analyses chimiques - 55

3.1.6.1 Microsonde à balayage - 55

3.1.6.2 Spectrométrie à décharges électroluminescentes - 56

3.2 Étude préliminaire sur alliages industriels - 56

3.2.1 Introduction - 56

3.2.2 Influence des éléments d’alliage sur l’évolution des propriétés mécaniques . 57

3.2.3 Stabilité des propriétés mécaniques de nitruration - 61

3.2.4 Influence de la température de revenu post-nitruration - 62

3.2.5 Précipitation de la cémentite - 65

3.2.5.1 La couche de diffusion - 65

3.2.5.2 Influence de la taille des grains - 68

3.2.5.3 L’interface couche de combinaison - couche de diffusion - 70

3.2.6 Bilan - 71

3.3 Étude sur alliages synthétiques - 73

3.3.1 Caractérisation métallurgique des couches nitrurées - 73

3.3.2 Évolution des caractéristiques de nitruration - 77

3.3.2.1 Enrichissement en azote - 77

3.3.2.2 Durcissement - 78

3.3.2.3 Contraintes résiduelles - 80

3.3.3 Redistribution du carbone - 83

3.3.4 Bilan - 84

3.4 Caractérisation de la nuance Fe-0,354%C-2,93%Cr nitrurée 10 et 100 h à 550°C . 85

3.4.1 L’interface couche de combinaison - couche de diffusion - 85

3.4.2 Le maximum de contraintes résiduelles - 87

3.4.3 Le front de diffusion - 88

3.4.4 Bilan - 88

4 Modélisation du traitement de nitruration 91

4.1 Diffusion et précipitation - 94

4.1.1 Loi générale de la diffusion - 94

4.1.2 Hypothèses et conditions de travail - 96

4.1.3 Diffusion et transition d’échelle - 97

4.1.4 Calcul des fractions volumiques - 98

4.1.5 Bilan matière - 99

4.2 Modélisation micro-mécanique - 100

4.2.1 Généralités - 100

4.2.2 Modèle proposé - 102

4.2.2.1 Définition du champ de contraintes macroscopiques - 102

4.2.2.2 Définition du modèle micro-macro - 103

Table des matières vii

4.2.2.3 Développements apportés au modèle - 104

4.3 Calcul de la variation de volume - 106

4.4 Étude de la genèse des contraintes résiduelles - 108

4.4.1 Implémentation numérique du modèle - 109

4.4.2 La diffusion d’azote et de carbone - 109

4.4.2.1 La diffusion d’azote - 109

4.4.2.2 La diffusion du carbone - 111

4.4.2.3 La thermodynamique des processus irréversibles (TPI) - 112

4.4.2.4 Influence des contraintes résiduelles sur la diffusion - 115

4.4.2.5 Influence de la précipitation sur la diffusion - 117

4.4.2.6 Excès d’azote - 117

4.4.2.7 Bilan - 119

4.4.3 Évolution de la précipitation d’une surface nitrurée - 120

4.4.3.1 Fraction volumique des précipités - 120

4.4.3.2 Évolution des déformations volumiques - 124

4.4.4 Évolution des contraintes résiduelles - 125

4.4.5 Influence des séquences de précipitation - 126

4.4.6 Le refroidissement - 130

4.4.7 Application à l’acier de nuance 33CrMoV12-9 - 131

5 La nitruration des aciers : un traitement thermo-chimico-mécanique 135

6 Conclusion et perspectives 145

A Annexe 147

A.1 Calculs thermodynamiques - 147

A.1.1 Nuances industrielles - 147

A.1.2 Nuances synthétiques - 151

A.2 Évolution des propriétés de nitruration dans le cas des alliages synthétiques . . . 152

A.2.1 Enrichissement en azote - 152

A.2.2 Durcissement - 153

A.2.3 Contraintes résiduelles et largeurs intégrales - 154

A.3 Mécanique des matériaux hétérogènes - 156

A.3.1 Modèle de l’inclusion d’Eshelby - 156

A.3.2 Problème de l’inclusion élastique - 158

A.3.3 Problème de l’inclusion plastique - 158

Bibliographie 159

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