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CHAPITRE IV : USINAGE ASSISTE LASER ET TENUE EN FATIGUE Pour l’étude sur le matériau 100Cr6, nous avons réalisé un UAL ainsi qu’un traitement laser afin d’associer le changement de microstructure et l’amélioration de l’usinabilité. La puissance du laser a été fixée à 500 W de manière à obtenir une transformation martensitique en surface. Au dessus de cette puissance, la pièce présente une surface fondue. Quant au matériau Ti-6Al-4V, un UAL avec traitement a été testé mais celui-ci fait apparaître une microstructure aiguillée en surface, ainsi que des microfissures. Cette présence de microfissure s’est avérée très défavorable à la tenue en fatigue des pièces. Pour ce matériau, l’UAL seul sans aucun changement de microstructure a donc, par la suite, été expérimenté. 134 - Géométrie des éprouvettes : Les deux géométries d’éprouvettes utilisées pour les essais de torsion purement alternée (Fig. 91a) et de traction-compression alternée (Fig. 91b) présentent des zones utiles avec des rayons de raccordement relativement importants limitant les effets de concentration de contrainte. (a) en torsion (b) en traction Fig. 91 – Géométrie des éprouvettes utilisées pour les essais de fatigue - Campagnes d’essais : La désignation des éprouvettes en acier et en alliage de titane pour les différents types d’essais est présentée dans le Tab. 22 : Matériau Essai Désignation 100Cr6 Ti-6Al-4V 2 x ∅4 0 x4mini Cr UC Traction Crul Crp UAL + traitement thermique UC - polissage Crulp UAL + traitement thermique - polissage Torsion TCr TCrul UC UAL + traitement thermique Traction Ti Tiul UC UAL Torsion TTi TTiul UC UAL Tab. 22 – Désignation des campagnes d’essais réalisés Certaines éprouvettes de 100Cr6, réalisées en UAL et en UC, ont été polies après usinage pour s’affranchir des effets de rugosité de surface et notamment de la difficulté de reproduire les mêmes états de surface pour chaque éprouvette. En effet, l’influence de la rugosité peut alors masquer l’effet de la microstructure sur la limite de fatigue. Pour découpler l’ensemble des paramètres, il est nécessaire de mettre en évidence l’influence du polissage sur la tenue en fatigue. Pour cela, des éprouvettes usinées non polies ont aussi été testées. 86±0.5 R68 2 x M16 x 1 68
CHAPITRE IV : USINAGE ASSISTE LASER ET TENUE EN FATIGUE Les éprouvettes 100Cr6 polies ont été préparées manuellement sur l’ensemble de la zone utile à l’aide de papiers abrasifs à grains fins (500, 1000, 2400 et 4000). Contrairement aux éprouvettes en 100Cr6, aucune éprouvette en Ti-6Al-4V n’a été polie. 2.4. Essais de fatigue Plusieurs campagnes d’essais ont été réalisées au LPMI et au LAMEFIP sur les éprouvettes (Fig. 91) en acier 100Cr6 et en alliage de titane Ti-6Al-4V usinées avec ou sans UAL. Chaque matériau a été testé en fatigue pour des sollicitations en traction-compression et en torsion. Pour ces deux matériaux, une première série d’éprouvettes usinées conventionnellement est utilisée afin d’évaluer les caractéristiques en fatigue du matériau par l’intermédiaire de la méthode de l’escalier. Une deuxième série obtenue par UAL a été testée et comparée avec la précédente. Tous les essais de fatigue en traction-compression et en torsion alternée ont été réalisés à température ambiante, sous air, avec les contraintes nominales mesurées à partir du diamètre critique de la zone utile de chaque éprouvette. Les essais de traction alternée ont été conduits, à force imposée sur une machine INSTRON, avec un rapport de charge R=-1 et à une fréquence voisine de 10Hz ce qui permet de rendre négligeables l’échauffement des éprouvettes en cours d’essai. Les essais de torsion alternée ont été réalisés au LAMEFIP à couple imposé à une fréquence voisine de 50Hz avec le même rapport de charge. La détection de fin vie est différente pour les deux modes de chargement : en traction la rupture de l’éprouvette est atteinte alors qu’en torsion, la perte de raideur est mesurée et l’arrêt de l’essai intervient pour une valeur particulière de perte de raideur (20%). Le dépouillement est réalisé pour chaque lot d’essais correspondant aux états usinés différents. Quelques éprouvettes rompues ont été observées en microscopie électronique à balayage afin de rechercher sur les surfaces de rupture la position des sites d’amorçage des fissures. Notons que des essais en traction alternée (R = -1) sur éprouvettes en alliage de titane Ti-6Al-4V usinées conventionnellement ont été réalisés parallèlement au LPMI et au LAMEFIP [Delahay 2004]. Sur la base de comparaisons entre les caractéristiques mécaniques, les compositions chimiques et les microstructures des matériaux testés, ces essais ne font pas apparaître de différences significatives entre les résultats obtenus par les deux laboratoires. 2.5. Caractérisation d’intégrité de surface : Lors de l’opération d’usinage, des stries circonférentielles apparaissent en surface du matériau ; ce sont des zones privilégiées pour l’amorce de fissures qui vont diminuer la limite de fatigue. Les états de surface des éprouvettes de chaque lot, caractérisés par la rugosité, ont été contrôlés au LPMI sur plusieurs éprouvettes pour chaque lot. Les mesures ont été réalisées avec un rugosimètre Mitutoyo Surftest SJ-400. Mais la seule connaissance de l’état de surface est insuffisante. Il faut également qualifier les transformations métallurgiques à l’échelle microstructurale qui peuvent apparaître en surface. Ces transformations peuvent entraîner des modifications macroscopiques des caractéristiques mécaniques de la pièce, du fait, par exemple, d’un durcissement important de la couche superficielle. Des observations de la microstructure des éprouvettes coupées ont été réalisées après polissage et attaque chimique. Pour qualifier la microstructure, des essais de dureté sous faible charge ont également été effectués en utilisant un nanoindenteur NanoXP MTS, équipé d’un indent Berkovitch. Les procédés d’usinage introduisent également des contraintes résiduelles dans la pièce qui peuvent modifier la tenue en fatigue (voir chapitre I). La détermination de contraintes résiduelles est réalisée par diffraction des rayons X (machine PROTO) sur les éprouvettes usinées (Annexe A). Les profils de contraintes dans l’épaisseur des éprouvettes sont réalisés après un enlèvement de matière par polissage électrochimique entre chaque point de mesure. 135
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ANNEXE C : IDENTIFICATION DES PARAM
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EFFET DES HETEROGENEITES MICROSTRUC
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