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GENIE ENIE M MECANIQUE ECANIQUE PROJET ROJET FIN FIN DANNEE ANNEE Chapitre I: Etude bibliographique Introduction : Ce chapitre introductif sera le résultat d’une recherche bibliographique pour définir l’acier 51CrV4, les traitements thermiques et les essais mécaniques. Nous commençons, dans la première partie, par la présentation de cet acier. Dans la deuxième partie, nous décrirons le processus de la fabrication des lames de ressort dans la société COTREL. Et nous terminons par la présentation des traitements thermiques et des essais mécaniques. 1. Présentation de l’acier 51CrV4 : 1.1. Classification de l’acier 51CrV4 : L’acier 51CrV4 fait partie des aciers faiblement alliés. Parmi ses aspects techniquement importants, citons la trempabilité sensiblement améliorée due aux éléments des alliages, la résistance à la chaleur accrue et la résistance au revenu. Il peut être défini par sa composition chimique et ses caractéristiques mécaniques. [3] 1.1.1. Composition chimique : La composition chimique de l’acier 51CrV4 selon la norme AFNOR NF A 35-571 est présentée à la table I-1. Nuance %C %Mn %Si %P %S %Cr %Mo %V 51 CrV 4 0,4 6 à 0,5 0,7 0 à 1,1 0,1 0 à 0,4 <0, 25 <0, 25 0,9 0 à 1,2 - 0,07 à 0,25 1 / / 60 60 2008/2009 2008/2009

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etude du comportement de l'acier 51CrV4 vis-à-vis des traitements thermiques

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Page 1: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Chapitre I: Etude bibliographique

Introduction :

Ce chapitre introductif sera le résultat d’une recherche bibliographique pour définir l’acier 51CrV4, les traitements thermiques et les essais mécaniques. Nous commençons, dans la première partie, par la présentation de cet acier.

Dans la deuxième partie, nous décrirons le processus de la fabrication des lames de ressort dans la société COTREL. Et nous terminons par la présentation des traitements thermiques et des essais mécaniques.

1. Présentation de l’acier 51CrV4 :

1.1. Classification de l’acier 51CrV4 :

L’acier 51CrV4 fait partie des aciers faiblement alliés. Parmi ses aspects techniquement importants, citons la trempabilité sensiblement améliorée due aux éléments des alliages, la résistance à la chaleur accrue et la résistance au revenu.

Il peut être défini par sa composition chimique et ses caractéristiques mécaniques. [3]

1.1.1. Composition chimique :

La composition chimique de l’acier 51CrV4 selon la norme AFNOR NF A 35-571 est présentée à la

table I-1.

Nuance %C %Mn %Si %P %S %Cr %Mo %V

51 CrV 4

0,46

à

0,55

0,70

à

1,10

0,10

à

0,40

<0,25 <0,25

0,90

à

1,20

-

0,07

à

0,25

Table I- 1 : Compositions chimiques de l’acier 51 Cr V 4 [N2]

1.1.2. Caractéristiques mécaniques garanties selon les traitements de référence :

Le 51CrV4 est normalement livré à l’état brut de refroidissement après laminage ou forgeage.

Après accord à la commande, cet acier peut être aussi livré dans les états suivants :

Adoucit : correspondant à une dureté maximale garantie en peau de 241 HB.

Traité thermiquement pour usinage.

Traité par trempe et revenu [3]

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1.2. Domaine d’exploitation du 51CrV4 :

L’acier 51CrV4 est très indiqué pour tous les emplois dans lesquels l'élasticité, la résistance

aux chocs, à l'abrasion et à l'usure sont des facteurs importants.

Le domaine d’application de l’acier 51CrV4 est celui de la fabrication des outils [T1], en

effet cet acier présente les propriétés suivantes :

une grande dureté,

une bonne résistance à l’usure,

une absence de fragilité, notamment dans les emplois pour lesquels l’outil est soumis à des

chocs fréquents,

une bonne résistance aux chocs thermiques,

une bonne trempabilité pour que la structure soit homogène sur de très grandes épaisseurs

après le traitement thermique de trempe.

L’acier 51CrV4 fait aussi partie des aciers destinés à la fabrication des ressorts de types

divers (ressorts à lames plates, paraboliques, barres de torsion, etc.) qui sont destinés au

secteur automobile et aux transports lourds. Cette nuance est utilisée aussi pour des taux de

travail élevés.

Il convient bien pour les sollicitations par chocs et peut être porté jusqu’à des températures

de 220°C environ, pour cette raison l’acier 51CrV4 est le matériau idéal pour la fabrication

des ressort à lames paraboliques. [3]

1.3. Effet des éléments d’alliage :

L’ensemble de caractéristiques exigées par le domaine d’utilisation de l’acier 51CrV4 peut

être atteint grâce aux éléments d’alliage que nous allons énumérer.

1.3.1. Influence du chrome comme élément d’addition dans l’acier [2]:

Effets des divers traitements thermiques sur les aciers au chrome :

Cet élément alphagène joue un rôle essentiel dans l’augmentation de la trempabilité. Il facilite la

trempe en profondeur et augmente l’épaisseur trempée. Presque tous les aciers en chrome se

trempent à l’huile.

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Il provoque, par ailleurs, un certain retard à l’adoucissement lors du revenu et s’oppose au

grossissement du grain lors de l’austénitisation.

Les aciers au chrome ont une très grande stabilité au revenu.

On observe même souvent, après une légère chute de dureté aux environs de 300-400°C, une

augmentation de cette caractéristique par revenu vers 500°C. [7]

Influence du chrome sur les propriétés mécaniques de l’acier :

Les aciers au chrome perlitiques ont, par rapport aux aciers perlitiques sans chrome, une

charge de rupture et surtout une dureté plus grande, croissant avec la teneur en chrome, mais aussi

une fragilité plus grande.

Principaux emplois des aciers au chrome :

L’addition des faibles teneurs de chrome est utilisée pour les aciers à outils à 1 % de carbone

pour en accroître la profondeur de trempe.

A plus hautes teneurs (de l’ordre de 1%) le chrome confère à l’acier une bonne résistance à l’usure et

une bonne tenue au revenu.

1.3.2. Influence du vanadium comme élément d’addition dans l’acier [2]:

Influence du vanadium sur la tenue au revenu de l’acier :

A condition que la température de trempe, ait été suffisamment élevée, le vanadium ralentit

l’adoucissement au revenu.

Influence du vanadium sur les propriétés mécaniques de l’acier :

De petites quantités de vanadium (de 0,1 à 0,4%) améliorent certaines propriétés de l’acier tel que la

dureté, résistance à l’usure et résistance à la chaleur. [7]

Inconvénients d’addition de vanadium dans l’acier:

Le vanadium, en effet, n’est pas sans inconvénients :

Il retarde moins que le molybdène l’adoucissement au revenu.

Aux hautes teneurs (≥5%), il rend difficile la rectification de l’acier.

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2. Processus de fabrication des ressorts à lames paraboliques :

Les ressorts à lames paraboliques peuvent être formés d’une ou plusieurs lames laminées sous

forme d’une parabole, ce qui donne une variation de l’épaisseur sur chaque côté de la lame (Figure

I.1).

Figure I-1 : Ressort à lames paraboliques [S1]

Pour obtenir un ressort à lames fini, les lames qui le composent subissent plusieurs opérations de

traitements mécaniques et thermiques visant à leurs prodiguer les caractéristiques mécaniques et

dimensionnelles requises.

Etape 1   : Découpage à froid

Cette étape consiste à découper les lames par presse hydraulique lorsqu’elles sont de faibles sections

(épaisseurs inférieures à 30 mm) et par scie à ruban pour les sections d’épaisseurs supérieures.

Etape 2   : Poinçonnage

Cette opération consiste à réaliser des trous dans la section de la lame par poinçonnage à la presse.

Elle est réalisée à froid pour les faibles épaisseurs et à chaud pour les épaisseurs supérieures.

Etape 3   : Laminage parabolique

Le laminage parabolique sert à réduire la section de la lame au niveau de ses extrémités. Cette

opération est réalisée à chaud à une température du domaine austénitique de l’acier.

Etape 4   : Formation des œillets de la lame maîtresse

La formation de l’œillet ou rognage requiert un chauffage des bouts de la lame à une température du

domaine austénitique (> 900°C) suivi du formage des œillets sur une presse.

Etape 5   : Traitement thermique

Le traitement thermique consiste à chauffer les lames dans un four de chauffe à brûleurs à gaz régulé

(Fig.I-2) pendant une durée d’environ 30 minutes à une température de 960°C, pour atteindre la

structure austénitique de l’acier. Les lames circulent dans le four sur une chaîne à une vitesse

respectant la durée fixée.

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Figure I-2 : Lame sortant du four d’austénitisation.[S1]

Aussitôt sortie du four (Fig.I-2), la lame subit l’opération de cambrage qui consiste à former à chaud

la lame sur une presse hydraulique selon la courbure donnée (Fig.I-3). La lame est ensuite plongée

dans un bain d’huile pour subir la trempe à une température comprise entre 60 et 80°C (Fig.I-4).

Cette trempe confère à la lame la structure martensitique et les propriétés mécaniques de résistance

les plus élevées.

Les lames trempées subissent après un traitement de revenu dans le four de revenu à 500°C pour

remédier au problème de fragilité produite par la trempe en élevant les propriétés de ductilité aux

dépens de celles de résistance.

Etape 6   : Grenaillage de précontrainte

Le grenaillage de précontrainte consiste à bombarder les surfaces des lames par des grenailles en

acier dur sous une forte pression, afin d’une part de nettoyer les surfaces oxydées par les différents

chauffages pour la préparation à la peinture, et d’autre part de faire subir à la surface un traitement

mécanique de déformation plastique par l’introduction de contraintes résiduelles principalement de

compression, favorables à l’amélioration de la tenue en fatigue de la lame et au ralentissement de la

propagation des fissures si elles se forment.

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Figure I-3 : Opération de cambrage de la lame sur la presse [S1]

Figure I-4 : Trempe de deux lames chaudes dans le bain d’huile [S1]

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Etape 7   : Alésage des œillets

L’opération consiste à usiner sur une aléseuse l’intérieur de l’œillet pour atteindre le diamètre précis

de la lame afin de pouvoir monter la bague.

Etape 8   : Assemblage des lames et accessoires

Etape 9   : Traitement de préconformation

Le traitement de préconformation consiste à appliquer une charge sur le ressort à lames au-delà de sa

limite d’élasticité, c'est-à-dire le charger jusqu’au domaine de plasticité en lui apportant une

déformation permanente, sans toutefois atteindre sa limite de rupture. Cette opération a pour but

d’augmenter l’élasticité du ressort.

Figure I-5 : Ressort parabolique monolame fini.[S1]

3. Présentation des traitements thermiques :

Le traitement thermique d'une pièce consiste à lui faire subir des transformations de structure

grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et de refroidissement afin d'en améliorer les

caractéristiques mécaniques : dureté, ductilité, limite d'élasticité, ... [1].

3.1. La trempe :

3.1.1. Principe de la trempe [5]:

La trempe est un traitement thermique qui a pour but de conférer aux aciers les meilleures

propriétés de résistance en vue de résister aux sollicitations mécaniques les plus élevés. Elle est

appliquée pour provoquer l’apparition de la structure martensitique.

Elle consiste à :

Une austénitisation qui consiste à chauffer l’acier de la température ambiante à une température

du domaine austénitique (γ) ou du domaine mixte (γ+α), suivie d’un maintien conduisant à une

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transformation totale ou partielle de l’acier en austénite et la mise en solution des éléments

d’addition dans cette austénite.

Un refroidissement suffisamment rapide qui ramène l’acier à la température ambiante. La vitesse

de refroidissement doit être supérieure à la vitesse critique de trempe. La structure obtenue est

formée d’un constituant hors d’équilibre, sursaturé en carbone : la martensite, caractérisée par

une forte résistance et une faible ductilité.

3.1.2. Les effets de la trempe :

La trempe martensitique, de par sa vitesse de refroidissement imposée au matériau, provoque trois

effets de grande importance dont on doit systématiquement tenir compte:

-Une amélioration des propriétés mécaniques de résistance de l’acier : dureté, limite élastique

et résistance à la rupture et une dégradation des propriétés de ductilité : résilience, allongement pour

cent et striction.

-Une modification des caractéristiques dimensionnelles des pièces : la transformation

structurale entraîne des variations de volume de la pièce compte tenu de la différence de volume

entre l’austénite et la martensite.

-Formation des contraintes internes : Les différentes régions de la pièce (surface, cœur et

parties minces-parties massives) subissent au cours de la trempe un refroidissement à vitesse

variable. Il se crée de ce fait des gradients thermiques d’autant plus importants que la vitesse de

refroidissement est élevée.

Ce phénomène traduit, avec la contraction normale de l’acier par le refroidissement et les

transformations structurales, un changement de volume entrainant la formation de contraintes.

L’intensité de celles-ci est d’autant plus importante que les gradients sont forts.

Si l’intensité de contraintes atteint localement, au cours du refroidissement, la valeur de la résistance

à la rupture de l’acier, il nait dans la région alors des tapures de trempe (microfissures ou fissures). Il

faut noter qu’un stade bien avancée de ces fissures les rend irrémédiables et mettent alors l’acier hors

usage. Dans certains cas d’ailleurs, la pièce se casse carrément dans le bain de trempe. [5]

3.1.3. Les paramètres de trempe :

Les principaux paramètres qui conditionnent le résultat d’une trempe sont:

La trempabilité de l’acier qui dépend de sa composition chimique, de la taille de son grain et de

ses propriétés physiques. Elle est améliorée par l’addition d’éléments d’alliage et l’augmentation

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de la taille du grain austénitique. En plus, la dureté de la martensite obtenue après trempe

augmente en fonction de la teneur en carbone dans l’acier.

La géométrie, les dimensions et l’état de surface de la pièce : les gradients de température qui

existent entre les parties minces et les parties massives, entre la surface et le cœur ainsi que les

concentrations de contraintes au niveau des changements de section et des angles vifs

déterminent la loi de refroidissement dans la pièce et par la suite la nature de la structure obtenue

après trempe.

Les conditions de refroidissement : les caractéristiques du bain de trempe (température,

conductivité, viscosité…) définissent la nature des échanges thermiques entre la pièce et le fluide

de trempe.

Pendant le refroidissement qui accompagne la trempe, il s’établit, dans la pièce, des gradients de

température et de structure qui peuvent entraîner des déformations, des fissures (tapures de trempe),

et même des ruptures complètes. Il est donc toujours préférable de choisir un milieu de trempe qui,

tout en permettant d’obtenir les résultats recherchés, soit le moins sévère possible. Les milieux de

trempe les plus utilisés, par ordre croissant de sévérité de trempe sont :

Les solutions d’eau et de sel (saummures) ;

L’eau ;

Les huiles de trempe ;

Les brouillards (courants d’air contenant des gouttelettes d’eau en suspension) ;

Les bains fluidisés (courants gazeux contenant des particules solides en suspension) ;

L’air et les gaz. [6]

Trempe de l’acier 51CrV4 :

Pour cet acier, l’austénitisation doit être complète, réalisée entre 840 et 870°C.

Si l’on se réfère à la courbe TRC de cet acier, la vitesse de refroidissement traverse le domaine

martensitique.

3.2. Le revenu :

La trempe est en général un traitement énergique conduisant à un métal à Rm, Re, H élevées

du fait de la présence recherchée de martensite, mais dont la ductilité (A%) et la résilience (K) sont

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très faibles pour la même raison. Si on tient compte également d’un niveau de contraintes propres

souvent important, il est évident qu’un acier ne peut être utilisé en service directement à l’état

trempé. [1]

Donc il est nécessaire, après un durcissement par trempe conduisant à la dureté maximale de

l’acier, mais aussi à une fragilité d’autant plus grande que ce dernier est riche en carbone, de

provoquer une précipitation de carbures, précipitation qui aura pour conséquences:

de stabiliser la structure pour éviter toute évolution en service (évolution qui modifierait les

propriétés mécaniques des pièces) ;

de rendre au métal une certaine ductilité qui assurera la sécurité en service.

Cette opération qui adoucit l’acier trempé est le revenu, traitement thermique auquel on soumet

un acier à la suite d’un durcissement par trempe pour amener ses propriétés aux niveaux souhaités et

corriger plus ou moins ces inconvénients. Elle conduit à un métal de caractéristiques convenables

présentant un compromis satisfaisant entre Rm, Re d’une part et A%, K d’autre part. [2]

Contrairement à la trempe qui est une opération rapide et de contrôle difficile, le revenu permet

un contrôle aisé des transformations et partant, des propriétés du métal. [1]

Ce revenu comporte un cycle thermique qui consiste aux opérations suivantes :

Chauffage jusqu’à une température dite de revenu inférieure à la température de

transformation Ac1.

Maintien contrôlé à cette température.

Refroidissement jusqu’à la température ambiante.

Suivant la composition de l’acier et les propriétés désirées, la température de revenu varie entre

100 et 650°C.

On obtient suivant la température de revenu une diminution plus ou moins grande de la dureté et une

augmentation notable de la résilience. Avec les aciers qui trempent à l’eau ou l’huile, un revenu

effectué entre 200 et 300°C provoque une chute notable de la dureté ; les aciers trempés à l’huile

montrent une plus grande résistance au revenu. Les températures de revenu des aciers rapides et

autres aciers hautement alliés pour outils et travail à chaud sont comprises entre 540 et 650°.

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Le choix de la température de revenu est une question d’expérience et dépend largement de la

destination de la pièce et des efforts qui lui seront demandés. [7]

Revenu de l’acier 51 CV4

Le revenu sera réalisé immédiatement après la trempe à une température variable avec les

caractéristiques mécaniques désirées, mais généralement comprise entre 490 et 650 °C. La durée de

maintien est ajustée en fonction de la charge et des caractéristiques désirées.

IL est préjudiciable d’effectuer un revenu, pour cet acier, à une température comprise entre 200 et

450°C. Dans la mesure du possible, les pièces après revenu sont refroidies par immersion dans

l’huile afin d’éviter un long séjour au passage de l’intervalle interdit et qui correspond à la fragilité

de revenu réversible. [3]

4. Présentation des essais mécaniques :

4.1. Dureté :

Une définition adéquate de la dureté technologique peut être la résistance d’un matériau à une

déformation permanente de sa surface. Cette déformation peut être en forme de rayure, d’usure

mécanique, de pénétration d’empreinte ou de coupe. [8]

4.1.1. Essai de Dureté :

Les essais de dureté sont d’une grande utilité pour le métallurgiste à cause de leur simplicité et

de leur caractère peu destructif. Mais il faut bien noter que la dureté n’est pas une propriété simple

des matériaux métalliques puisque les valeurs obtenues de cet essai permettent certain classements.

Cependant, le processus opératoire doit être très précis pour assurer la reproductibilité et la fidélité

des résultats. [1]

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Cela nécessite certaines précautions, par exemple, la perpendicularité de la ligne d’action de la

charge à la surface de l’éprouvette doit être contrôlée. Il faut faire également attention à ce que la

charge soit exercée et supprimée doucement. [8]

Afin de réaliser la précision de la mesure de dureté, il a apparu un grand nombre de norme dans

ce domaine, pour les essais proprement dits, les machines ‘essais et les étalons. Les essais les plus

courants se font par pénétration qui est une façon de déformer une surface par empreinte. On produit

une déformation permanente, en enfonçant un pénétrateur d’un certain type, dans la surface.

4.1.2. Principe de l’essai de pénétration :

L’essai consiste à enfoncer un pénétrateur dans le métal à essayer. La charge est constante et on

mesure la dimension de l’empreinte. L’empreinte est d’autant plus grande que le métal est mou.

La dureté H s’exprime par le rapport de la force sur la surface de l’empreinte : H = F / S

Les essais les plus classiques sont les essais BRINELL, VICKERS et ROCKWELL.

4.1.3. Essai Brinell (symbole HB) :

L’essai consiste à imprimer dans la pièce à essayer une bille en acier ou en carbure de tungstène de

diamètre D sous une charge F, et à mesurer le diamètre d de l’empreinte laissée sur la surface après

enlèvement de la charge.

4.1.4. Essai Vickers (symbole HV) :

L’essai consiste à imprimer dans la pièce à essayer un pénétrateur en forme de pyramide

droite à base carrée d’angle au sommet 136° sous une charge F et à mesurer la diagonale d et

l’empreinte laissée sur la surface après enlèvement de la charge. [1]

4.1.5. Essai Rockwell (symbole HR) :

C'est l'essai de dureté le plus connu mondialement. Dans ce cas, la dureté, contrairement à

Brinell et Vickers, est obtenue par lecture directe d'une longueur d'enfoncement d'un pénétrateur,

bille acier ou cône diamant.

Une précharge (Fo) permet de faire une empreinte initiale et, par là, d'éliminer les incertitudes

propres aux défauts de la surface.

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4.2. Essai Jominy :

4.2.1  Principe de l’essai :

Pour déterminer la trempabilité, On utilise une technique commode qui est l’essai Jominy. Cet

essai a pour but l’obtention, en une seule opération sur une éprouvette normalisée, d’indications

globales sur la trempabilité d’un acier : courbe de Jominy. [5]

4.2.2 Etapes de l’essai :

Cet essai est décrit dans la norme [N4]. Il est mené en trois étapes :

Austénitisation : qui consiste à austénitiser une éprouvette usinée dans l’acier à tester et de

dimensions normalisés (Figure I.6) : 25mm de diamètre et 100mm de longueur dans des

conditions convenables (la température Ta est fixée dans la norme ou le cas échéant dans le

cahier des charges).

Figure I.6: Eprouvette Jominy[N4]

Refroidissement : qui consiste à tremper la base inférieure de cette éprouvette, tenue à l’aide

d’un support approprié, par un jet d’eau courante de température comprise entre 15 et 25°C

jusqu’à son refroidissement total par conduction.

Mesure des duretés : qui consiste à mesurer la variation de la dureté sur un méplat réalisé

le long de la génératrice de l’éprouvette à partir de son extrémité trempée selon les distances

suivantes 1,5 ; 3 ; 5 ; 10 … prises à partir de son extrémité trempée par le jet. Ces distances

seront désignées par J1, 5 - J3 - J5…Jx  [4]

4.2.3. Courbe de Jominy :

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Les résultats d’un essai unique sont présentés graphiquement par la courbe HRC = f(Jx) dite

courbe Jominy de l’acier étudié. Cette courbe permet de déterminer la trempabilité de l’acier.

Cette trempabilité est considérée :

bonne lorsque la courbe Jominy ne subit que très peu de variation tout en gardant une dureté

suffisamment élevée. Ce cas est rencontré dans les aciers faiblement alliés au Nickel et

notamment les aciers auto-trempants.

mauvaise lorsque la nuance durcit uniquement en surface et subit une chute rapide de dureté à

partir des couches sous-adjacentes. Dans ce cas de figure, qui couvre les aciers pour

traitements thermiques non alliés, la trempabilité est mal définie.

moyenne lorsque la courbe Jominy présente une variation de la dureté. On peut pour ce cas

déterminer la trempabilité. [3]

En effet, on lit la dureté en chaque point de l’éprouvette correspond à la vitesse de

refroidissement qu’il a subie. Chaque coulée d’une nuance d’acier normalisé compte sa courbe

Jominy propre. Elle doit être comprise entre deux courbes limites normalisées relatives à la nuance

qui tolèrent une dispersion due d’une part à la composition chimique du prélèvement et d’autre part à

la coulée.

4.3. Essai de traction : [8]

4.3.1. Principe de l’essai de traction :

L’essai de traction consiste à soumettre une éprouvette normalisée d’un matériau donné à une

charge de traction unidirectionnelle et généralement jusqu’à sa rupture en vue de déterminer une ou

plusieurs caractéristiques mécaniques et à relever son effet sur l’allongement produit∆l

correspondant.

4.3.2. Eprouvettes :

Les éprouvettes peuvent être usinées ou brutes. Elles comportent une partie calibrée et très

généralement deux têtes d’amarrage. L’éprouvette comprend toujours, entre deux repères séparés par

une distance l0, une section constante S0.

La forme de l’éprouvette est soit cylindrique soit prismatique (Figure I.7). Les extrémités, ou

têtes, de l’éprouvette ont une section supérieure à S0, ce qui permet de les fixer sur la machine

d’essai. La géométrie des têtes dépend du mode de fixation utilisé (serrages lisses, filetage ou

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épaulement). Le raccordement entre la partie centrale et les têtes doit toujours être progressif afin de

minimiser l’effet des concentrations des contraintes. Comme la charge de traction est appliquée selon

l’axe de l’éprouvette, on comprend que dans la zone centrale, entre les repères, la contrainte soit

uniforme tant que la section demeure constante.

Figure I.7 : Eprouvettes cylindriques et plates[S4] Figure I.8 : Eprouvette cylindrique[S4]

4.3.3. Courbes de traction :

Sont enregistrés simultanément : la charge nécessaire pour déformer l’éprouvette jusqu’à sa

rupture et la déformation de celle-ci, ce qui permet de tracer la courbe de l’effort (la charge rapportée

à la section initiale de l’éprouvette) en fonction de la déformation (exprimée en pourcentage

d’allongement par rapport à la longueur initiale de l’éprouvette). C’est la courbe de traction.

A partir de la courbe de traction, les caractéristiques suivantes peuvent être déduites :

La déformation élastique en fonction de la force appliquée d'où on peut déduire, connaissant les

dimensions de l'éprouvette, le module d'Young E représenté par la pente de la courbe dans sa

partie linéaire.

1414 / / 4646 2008/20092008/2009

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GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

La limite élastique souvent notée Re : qui sert à caractériser un domaine conventionnel de

réversibilité

Limite conventionnelle d'élasticité: Rp0,2 : Lorsque Re est difficile à déterminer on prend une

valeur conventionnelle correspondant à un allongement de ε = 0,2%.

La résistance à la rupture Rr : Effort de traction à partir duquel la matière se brise en deux

parties.

La résistance à la traction ou tension de rupture souvent notée Rm : qui est la contrainte

maximale atteinte en cours d'essais.

Allongement à la rupture : qui mesure la capacité d'un matériau à s'allonger sous charge avant

sa rupture 

Dans cette expression, Lo et Lf sont respectivement les longueurs initiales et finales après rupture.

Striction à la rupture : C'est le pourcentage de réduction de la section après rupture par

rapport à la section initiale

Dans cette expression, S0 et Sf sont respectivement les sections initiales et finales après rupture.

4.4. Essai de résilience :

1515 / / 4646 2008/20092008/2009

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GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

La résilience est l’énergie de rupture d’une éprouvette normalisée entaillée en son milieu. Elle

s’exprime en Joules/cm2 et symbolisée par KCU ou KCV selon la forme de l’entaille de l’éprouvette

et se caractérise par le rapport suivant :

4.4.1. Principe de l’essai de résilience :

Cet essai est destiné à mesurer l'énergie nécessaire pour rompre en une seule fois une éprouvette

préalablement entaillée. On utilise un mouton-pendule muni à son extrémité d'un couteau qui permet

de développer une énergie donnée au moment du choc.

L'énergie absorbée est obtenue en comparant la différence d'énergie potentielle entre le départ du

pendule et la fin de l'essai. La machine est munie d'index permettant de connaître la hauteur du

pendule au départ ainsi que la position la plus haute que le pendule atteindra après la rupture de

l'éprouvette.

L'énergie obtenue (en négligeant les frottements) est égale à :

m : masse du mouton-pendule

g : accélération de la pesanteur (environ 9.81 m.s-2)

h : hauteur du mouton-pendule à sa position de départ

h' : hauteur du mouton-pendule à sa position d'arrivée

La graduation de la machine permet généralement d'obtenir directement une valeur en joule.

1616 / / 4646 2008/20092008/2009

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GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Figure I.9 : Représentation du mouton-pendule et de la hauteur à prendre en compte pour

le calcul de l'énergie absorbée[S3]

4.4.2. Eprouvettes : [1]

Différents types d’éprouvettes ont été définies pour l’essai de résilience. Les plus classiques sont

définies par la norme AFNOR. Il s’agit de :

L’éprouvette CHARPY entaillée en U.

L’éprouvette entaillée en V couramment CHARPY V. C’est cette dernière qui est la plus

utilisée.

Figure I.10 : Eprouvette de résilience entaillée en V[S3]

Conclusion :

A travers ce chapitre, nous avons pu élaborer une recherche bibliographique à travers laquelle

nous avons présenté l’acier 51CrV4 à étudier dans le chapitre II, nous avons expliqué le processus

de fabrication des lames de ressort et nous avons définis les différents essais mécaniques et

thermiques à effectuer durant notre projet de fin d’année.

1717 / / 4646 2008/20092008/2009

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GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Chapitre II: Etude expérimentale

Introduction :

Ce chapitre englobe deux parties : une première partie dans laquelle nous allons décrire l’usinage des éprouvettes nécessaires pour notre étude expérimentale qui fait l’objet de la deuxième partie.

1. Usinage des éprouvettes :

Afin d’étudier le comportement de l’acier 51CrV4, nous devons disposer des éprouvettes de

traction, Jominy et de résilience de cet acier. Dans ce but nous étions censés de faire l’usinage de ces

dernières à partir d’un brut fournie par la société COTREL.

Dans ce qui suit nous présenterons les différentes étapes d’usinage des éprouvettes.

1.1. Eprouvettes de résilience

a) Brut :

Plaque rectangulaire : 100 × 70 × 14

b) L’acier :

L’acier utilisé est le 51CrV4

c) Dessin de définition :

1818 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 19: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Figure II.1 : Dessin de définition de l’éprouvette de résilience

d)  Gamme d’usinage :

Pièce : éprouvette de résilience

Gammed’usinage

PFAII : Comportement de l’acier 51 Cr V 4

Date : 15-05-2009Matière : 51 Cr V 4 Elaboré par :

SOUAYAH SadokHAMDAOUI Amira

Nombre de pièces : 4

Brut : 100×70×14Vérifié par : Melle Salma SLAMA

N° Désignation Croquis0 Contrôle du brut

10 Fraisage

Sou

s p

has

e A

Appui plan

Orientation

buté

a) surfaçage de la surface

(3) en ébauche

b) surfaçage de la surface

(3) en demi finition

b) surfaçage de la surface

(3) en finition

1919 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 20: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Sou

s p

has

e B

Appui plan

Orientation

buté

Sciage de la surface (1)

S

ous

ph

ase

C

Appui plan

Orientation

buté

a) surfaçage de la surface

(1) en ébauche

b) surfaçage de la surface

(1) en finition

S

ous

ph

ase

D

Appui plan

Orientation

buté

a)surfaçage de la surface (2) en ébaucheb) surfaçage

b) surfaçage de la surface (2) en finition

20 Raboutage

Entaille (4)

Remarque : Les contrats de phases sont fournis dans l’annexe 1.

2020 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 21: PFA 51Cr V 4

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1.2. Eprouvettes Jominy

a) Brut :

Plaque rectangulaire : 30 × 90 × 110

b) L’acier :

L’acier utilisé est le 51 CrV4

c) Dessin de définition

Figure II.2 : Dessin de définition de l’éprouvette Jominy

2121 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 22: PFA 51Cr V 4

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d) Gamme d’usinage :

Pièce : éprouvette de résilience

Gamme d’usinage

PFAII : Comportement de l’acier 51 Cr V 4

Date : 15-05-2009

Matière : 51 Cr V 4 Elaboré par :SOUAYAH SadokHAMDAOUI Amira

Nombre de pièces : 4

Brut : 110×90×30Vérifié par : Melle Salma SLAMA

N° Désignation Croquis0 Contrôle du brut

10 Fraisage

S

ous

ph

ase

A

Appui plan

Orientation

Buté

Sciage de la surface (1)

S

ous

ph

ase

B

Appui plan

Orientation

Buté

a) surfaçage de la surface (1) en ébauche

b) surfaçage de la surface (1) en finition

20 Perçage

2222 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 23: PFA 51Cr V 4

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Appui plan

Orientation

Buté

Perçage du trou de centrage S1

30 Tournage

S

ous

ph

ase

A

Centrage court 1,2Centrage court 4,5Buté

a) Chariotage de (3) en ébauche et dressage de (4) en ébaucheb) Chariotage de (3) en ébauche et dressage de (4) en finition

S

ous

ph

ase

B

Centrage longButé

Chariotage de (5) en finition

Sou

s p

has

e C

Centrage court 1,2Centrage court 4,5Buté

a)chariotage de (3) et dressage de (4) en ébauche

b) chariotage de (3) en finition et dressage de (4) en finition

2323 / / 4646 2008/20092008/2009

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S

ous

ph

ase

D

Centrage longButé

a)dressage de la surface (6) en ébauche

b) dressage de la surface (6) en finition

Sou

s p

has

e E

Centrage longButé

a)dressage de la surface (7) en ébaucheb) dressage de la surface (7) en finition

Remarque : Les contrats de phases sont fournis dans l’annexe 2

1.3. Eprouvettes de traction

a) Brut :

Plaque rectangulaire : 28 × 90 × 250

b) L’acier :

L’acier utilisé est le 51 CrV4

c) Dessin de définition

Figure II. 3 : Dessin de définition de l’éprouvette de traction

2424 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 25: PFA 51Cr V 4

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d) Gamme d’usinage :

Pièce : éprouvette de résilience

Gamme d’usinage

PFAII : Comportement de l’acier 51 Cr V 4

Date : 15-05-2009

Matière : 51 Cr V 4 Elaboré par :SOUAYAH SadokHAMDAOUI Amira

Nombre de pièces : 4

Brut : 250×90×28 Vérifié par : Melle Salma SLAMA

N° Désignation Croquis0 Contrôle du brut

10 Fraisage

Appui plan

Orientation

Buté

a) surfaçage de la surface (1) en

ébauche

b) surfaçage de la surface (1) en demi finition

c) surfaçage de la surface (1) en finition

2525 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 26: PFA 51Cr V 4

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20 Perçage

S

ous

ph

ase

A

Perçage du trou de centrage S1

Sou

s p

has

e B

Perçage du trou de centrage S 2

30 Tournage

S

ous

ph

ase

A

Centrage court 1,2Centrage court 4,5Buté

a)Chariotage de (4) et dressage de (5) en ébaucheb) Chariotage de (4) et dressage de (5) en finition

2626 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 27: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

S

ous

ph

ase

B

Centrage court 1,2Centrage court 4,5Buté

a) Chariotage de (6) et dressage de (7) en ébaucheb) Chariotage de (6) et dressage de (7) en demi finitionc) Chariotage de (6) et dressage de (7) en finitiond) Tronçonnage

Sou

s p

has

e C

Centrage court 1,2Centrage court 4,5Butéa) Chariotage de la surface (8) en ébauche.b) Chariotage de la surface (8) en finition

Remarque :Les contrats de phases sont fournis dans l’annexe 3

Au cours de cette partie nous avons rencontré plusieurs difficultés dues d’une part à la dureté

élevée de l’acier 51CrV4, d’autre part à la forme prismatique du brut qui nous ont obligé de passer

par des étapes qui présentent un temps machine long (sciage, surfaçage, mise en positon sur les

mandrins 4 mors).

Ces difficultés ont engendrés un nombre limité d’éprouvettes ( 4 pour chaque essai) ce qui va

influencer sur le nombre d’essai à réaliser pour la caractérisation de cet essai vis-à vis des

traitements thermiques.

2. Traitements thermiques et essais mécaniques :

Après avoir usiné les éprouvettes de traction, de résilience et Jominy nécessaires pour faire les essais

mécaniques et les traitements thermiques, nous allons consacrer cette partie à étudier le comportement du

51CrV4 vis-à-vis du traitement subit par la lame à ressort au cours de sa fabrication et à interpréter les

résultats obtenus.

Au cours du processus de fabrication des ressorts à lames dans la société COTREL, ces dernières

subissent les traitements thermiques suivants dans le but d’améliorer ses caractéristiques :

2727 / / 4646 2008/20092008/2009

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Un chauffage pendant 30 minutes à une température de 960°C.

Trempe à l’huile qui est chauffé à une température de 60 °C.

Entre le chauffage et le refroidissement, la lame subit une opération de cambrage sur une presse

hydraulique afin de lui conférer la flèche adéquate.

2.1. Traitements thermiques :

2.1.1. Objectif :

L’objectif des traitements est d’étudier l’effet de la variation de la température de la trempe et du

temps de passage du four vers le bain d’huile sur le comportement de l’acier 51CrV4.

2.1.2. Démarche expérimentale :

Notre étude expérimentale consiste à effectuer les deux essais suivants :

1 er essai   : trempe avec variation de la température de chauffage  :

Pour réaliser cet essai, nous avons fait les opérations suivantes :

Le chauffage   : Nous chauffons quatre échantillons de mêmes dimensions (100×70 ×9) à des

températures différentes (840, 900, 930 et 960°C) pendant 25 minutes. Nous avons adapté

une épaisseur de 9 mm qui correspond à la partie la plus mince de la lame, en effet cette

épaisseur permet de prévoir l’état de toute la lame.

Le Refroidissement   : Après le chauffage, nous avons fait la trempe des échantillons dans un

bain d’huile chauffé à 60°C avec un temps de passage (du four jusqu’au bain d’huile) égale à

35 secondes.

Le Polissage pour la mesure de la dureté  

Mesure de dureté   : se fait en utilisant le dispositif de Rockwell.

2828 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 29: PFA 51Cr V 4

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Les valeurs obtenues nous ont permis de tracer la courbe HRC= f(T°C)

Température

(°C)

HRC

840 58

900 57

930 56

960 55

Table II.1 : Les valeurs de la dureté mesurées en fonction de la

température de chauffage

Courbe HRC = f(T°C) :

Figure II.4: Courbe de la dureté en fonction de la température de chauffage

2929 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 30: PFA 51Cr V 4

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2 ème essai   : trempe avec variation du temps de refroidissement à l’air (temps du

passage du four de chauffage jusqu’au bain d’huile) :

Pour réaliser cet essai, nous avons fait les opérations suivantes :

Le chauffage   : nous avons chauffé trois échantillons de mêmes dimensions (100×70 ×9) à la

température (840°C) pendant 25 minutes.

Le Refroidissement   : Après le chauffage, nous avons fait la trempe des échantillons dans un

bain d’huile chauffé à 60°C avec un temps de passage (du four au bain d’huile) variable :60,

90 et 120 secondes.

Le Polissage pour la mesure de la dureté   :

Mesure de dureté   : Nous avons obtenu les valeurs suivantes qui nous ont permis de tracer la

courbe HRC= f(t)

Temps de passage (t) HRC

60 58

90 57

120 56

Table II.2 : Les valeurs de la dureté mesurées en fonction du temps de passage

du four vers le bain d’huile

3030 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 31: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Figure II.5 : Courbe de la dureté en fonction du temps de passage

du four vers le bain d’huile

2.1.3. Interprétation :

1er essai :

D’après la figure II.4 nous avons remarqué une variation de la dureté HRC840 > HRC900 >

HRC930 > HRC960 d’où nous pouvons dire que la dureté est inversement proportionnelle à

l’augmentation de la température de chauffage.

D’après la courbe TRC (annex4), nous remarquons que les échantillons qui présentent la plus

faible épaisseur de la lame prennent la trempe malgré le temps (35 secondes) de passage de la

lame du four de chauffage vers le bain de trempe. Ce résultat obtenu sur la partie la plus

mince prouve l’homogénéité de la structure martensitique tout le long de la lame puisque les

parties qui sont plus épaisses vont garder plus leurs températures du chauffage lors du

passage du four vers le bain.

2ème essai :

La variation du temps de passage du four vers le bain d’huile avait comme effet, d’après

la figure II.5 une variation de la dureté en surface.

On remarque que pour les trois durées de passage, la vitesse de refroidissement est

toujours supérieurs à la vitesse critique ce qui ramène à une structure martensitique dans

les trois cas.

2.1.4. Conclusion :

3131 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 32: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

D’après le 1eressai, nous avons pu remarquer que lorsqu’on diminue la température du maintien

dans le four l’acier devient plus dure. Ce qui résulte que la température de trempe idéale pour le

51CrV4 est celle de 840 car c’est elle qui le rend à son état le plus dur.

Le 2ème essai nous a permis, pour chaque valeur du temps que prend la lame au cours de l’opération

de cambrage, de se situer dans la courbe TRC de l’acier 51CrV4 (la structure obtenue est

martensitique). Ce résultat reste approximatif, puisque les mesures de la dureté sont faites juste à la

surface, pour avoir des résultats plus précis nous avons prélevé des petits échantillons au milieu de

chaque plaque afin de voir leur structure microscopique. Malheureusement le microscope à balayage

électrique était en panne, ce qui nous a empêchés de juger l’effet exact de la variation du temps de

passage du four vers le bain d’huile sur la structure de l’acier 51CrV4 et par suite sur son

comportement.

2.2. Essais mécaniques :

2.2.1. Essai Jominy :

a) Objectif :

Nous avons disposé de trois éprouvettes de Jominy que nous avons déjà usinés afin d’étudier la

trempabilité de l’acier 51CrV4 pour les températures suivantes 840°C, 900°C et 960°C et

d’interpréter par la suite les effets de cette variation de température.

b) Démarche expérimentale :

La démarche expérimentale consiste à faire :

Le Chauffage des éprouvettes  : la durée de maintien dans le four doit être suffisante pour que

la transformation de l’acier soit complète dans toute la masse de l’éprouvette. Par une simple

opération de calcul nous avons déterminé la durée de maintien ta¿∛V (V étant le volume de

l’éprouvette de Jominy).

Le Refroidissement   : Après le chauffage, on fait la trempe à l’huile de l’échantillon sur le

dispositif expérimental.

Le Polissage pour la mesure de la dureté  

Le Mesure de dureté   : 3232 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 33: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Les points de mesure de dureté sont situés à : 1,5 – 3 – 5 – 7 – 9 – 11 – 13 – 15 – 20 – 30 – 40

– 50 - 60 mm de l’extrémité arrosée.

Le tableau suivant indique les valeurs obtenues pour les différentes températures :

Distance

mm

HRC à

Ta=960°C

HRC à

Ta=900°C

HRC à

Ta=840°C

1.5 55 57 58

3 54,5 56 58

5 56 55 ,5 57

7 54 55 56

9 54 55 56

11 53 54 55

13 52 53 54

15 51 53 54

20 51 52 53

25 47 48 50

30 43 45 46

35 37 43 43

40 35 41 42

50 31 38 40

60 27 25 30

Table II.3 : Les valeurs de la dureté obtenues en fonction de la température pour l’essai de Jominy

Courbe de Jominy

3333 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 34: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Figure II.6 : Courbes de Jominy de l’acier 51CrV4

c) Interprétation:

Nous avons remarqué que la dureté diminue à chaque fois qu’on s’éloigne de la face trempée. Les trois courbes de Jominy (Figure II.3) sont presque confondu ceci montre que l’acier prend

la trempe pour les différentes températures de chauffage.

c) Conclusion :

D’après ce qui précède nous pouvons conclure que la température 840°C est la meilleure température

car c’est elle qui nous a permis d’avoir les meilleures valeurs de dureté.

2.2.2. Essai de résilience :

a) Objectif :

L’objectif de cet essai est la détermination de l’effet de la variation de la température de trempe sur

la résilience de l’acier 51CrV4.

b) Démarche expérimental :

3434 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 35: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Traitements des éprouvettes : Pour les quartes éprouvettes de résilience ainsi usinés, nous avons

effectué les traitements suivants :

Chauffage des éprouvettes aux différentes températures suivantes : 840, 900°C et

960°C.

Refroidissement dans un bain d’huile chauffé à 60°C.

Mesure de dureté

Revenu à 500°C avec une durée de maintien tv=1 heure.

Mesure de dureté

Essai de résilience : qui nous a permis de prélever les valeurs de résilience suivantes :

Eprouvettes KCV (daJ/cm2)

Eprouvette 1 (trempé à 840°C +

revenu) 2,75

Eprouvette 2 (trempé à 900°C +

revenu) 2,37

Eprouvette3 (trempé à 960°C + revenu) 2,187

Table II.4 : Les valeurs de résilience en fonction de la température

Figure II.7 : Courbe de la résilience de l’acier 51 Cr V 4 en fonction de la température de chauffage

3535 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 36: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

c) Interprétation : 

D’après les valeurs obtenues au cours de cet essai, nous avons remarqué, pour les différentes

températures de chauffage, que la ductilité de l’acier 51CrV4 est élevée.

La ductilité de l’acier 51CrV4 est déduite aussi de la morphologie de la section obtenue après

l’essai de résilience.

D’après la courbe (Figure II.7) précédente et les valeurs d’énergies obtenues, nous avons

remarqué que l’énergie dépensée pour casser une éprouvette trempée augmente avec la diminution

de la température de trempe. Ceci peut avoir comme explication le grossissement des grains γ lié à la

surchauffe par l’effet des températures d’austénitisation élevées du domaine austénitique.

d) Conclusion :

En s’appuyant sur cet essai, nous pouvons conclure que la plus importante énergie de rupture

(résilience) est celle à la température 840°C. D’où cette température de chauffage offre à l’acier

51CrV4 une ductilité élevée au contraire les températures 960°C et 900°C qui le rend de plus en plus

fragile. Cette diminution doit être évitée puisque la résilience est une propriété caractéristique des

ressorts à lame afin de se lutter contre les chocs élevés et la fatigue au cours fonctionnement.

2.2.3. Essai de traction :

a) Objectif :

Cet essai a pour objectif d’étudier les effets de la variation de la température de chauffage (avant

trempe) sur le comportement le l’acier 51CrV4 face à l’essai de traction.

b) Démarche expérimentale :

Traitements des éprouvettes :

Chauffage des éprouvettes aux différentes températures suivantes : 840,900, 930 et

960°C.

Refroidissement dans un bain d’huile chauffé à 60°C.

Mesure de dureté

Revenu à 490°C avec une durée de maintien tv=1 heure.

Mesure de dureté

3636 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 37: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

Essai de traction : Dimensions de l’éprouvette : les 4 éprouvettes ont les mêmes dimensions :

Figure II.8 : éprouvette de traction normalisée

Ta (°C) 960 93

0

900 840

Eprouvettes 1 2 3 4

Table II.5 : numérotation des éprouvettes

i) Eprouvette 1 :

Figure II.9 : Courbe de traction de l’acier 51CrV4 chauffé à 840°C

3737 / / 4646 2008/20092008/2009

Page 38: PFA 51Cr V 4

GGENIEENIE M MECANIQUEECANIQUE PPROJETROJET FINFIN DD’’ANNEEANNEE

D’après la courbe ci-dessus (Figure II.9) on a obtenu les propriétés suivantes :

A% Z% Re (daN) Rm (daN) Rr (daN)

11.75 60.9

4

1270 1433 1260

Table II.6 : caractéristiques mécaniques obtenues de la courbe

de traction de l’acier 51 CrV4 chauffé à 840°C

ii) Eprouvette 2 :

Figure II.10 : Courbe de traction de l’acier 51CrV4 chauffé à 900°C

D’après la courbe ci-dessus (Figure II.10) on a obtenu les propriétés suivantes :

A% Z% Re (daN) Rm (daN) Rr (daN)

11.2

5

49.24 1250 1413.21 1260

3838 / / 4646 2008/20092008/2009

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Table II.7 : caractéristiques mécaniques obtenues de la courbe

de traction de l’acier 51 CrV4 chauffé à 900°C

iii) Eprouvette 3 :

Figure II.11 : Courbe de traction de l’acier 51CrV4 chauffé à 930°C

D’après la courbe ci-dessus (Figure II.11) on a obtenu les propriétés suivantes :

A% Z% Re (daN) Rm (daN) Rr (daN)

11.

5

43.75 1240 1338.5 1116

Table II.8 : caractéristiques mécaniques obtenues de la courbe

de traction de l’acier 51 CrV4 chauffé à 930°C

iv) Eprouvette 4 :

3939 / / 4646 2008/20092008/2009

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Figure II.12 : Courbe de traction de l’acier 51CrV4 chauffé à 960°C

D’après la courbe ci-dessus (Figure II.9) on a obtenu les propriétés suivantes :

A% Z% Re (daN) Rm (daN) Rr (daN)

10.75 35.99 1154.4 1260 1040

Table II.9 : caractéristiques mécaniques obtenues de la courbe

de traction de l’acier 51 CrV4 chauffé à 930°C

820 840 860 880 900 920 940 960 9801080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

1220

1240

1260

1280 Re

T°C

Figure II.13 : Courbe de la limite d’élasticité (Re ) de l’acier 51 Cr V 4

en fonction de la température de chauffage

4040 / / 4646 2008/20092008/2009

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820 840 860 880 900 920 940 960 9801150

1200

1250

1300

1350

1400

1450 Rm

T°C

Figure II.14 : Courbe de la résistance à la traction (Ra ) de l’acier 51 Cr V 4

en fonction de la température de chauffage

820 840 860 880 900 920 940 960 98010.2

10.4

10.6

10.8

11

11.2

11.4

11.6

11.8

12A%

T°C

Figure II.15 : Courbe de l’allongement à rupture (A% ) de l’acier 51 Cr V 4

en fonction de la température de chauffage

c) Interprétation :

Les résultats obtenus par cet essai prouvent la dégradation des propriétés mécaniques de l’acier

51CrV4 suite à l’augmentation de la température de chauffage.

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Les courbes de la limite d’élasticité (Figure II.13) et de la résistance à la traction (Figure II.14) en

fonction de la température de chauffage montrent que l’acier 51CrV4 présente une résistance

meilleure pour une température de chauffage égale à 840°C et que sa résistance diminue en

augmentant la température de chauffage.

La courbe de l’allongement en fonction de la température de chauffage (Figure III.11) prouve les

résultats obtenus par l’essai de résilience, ce dernier nous a permis de juger la ductilité de l’acier

51CrV4 comme meilleur pour une température de chauffage égale à 840°C. En effet, la meilleure

ductilité se traduit dans l’essai de traction par le plus grand allongement à rupture.

Conclusion :

En s’appuyant sur ces différents essais , ce chapitre nous a permis de déterminer l’influence d’un

chauffage des lames à une température dépassant la température d’austénitisation du 51CrV4 sur le

comportement de cet acier. Ce chauffage excessif dégrade les propriétés mécaniques de ce dernier et

surtout la résistance au choc qui est un paramètre déterminant pour les ressorts.

En effet, les lames de ressorts doivent être chauffées à des températures voisines de la température

d’austénitisation du 51CrV4 et pour cela il faut minimiser le temps de passage de la lame du four

vers le bain de trempe. Par suite, nous proposons de positionner le bain de trempe au dessous de la

presse de cambrage.

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Conclusion générale :

En conclusion, nous devons tout d’abord rappeler que l’objectif principal de notre projet de fin

d’année était d’étudier le comportement de l’acier 51CrV4 vis-à-vis des traitements thermiques et

des essais mécaniques.

Pour répondre à cet objectif, nous devons, en premier lieu, disposer des éprouvettes

nécessaires pour faire cette étude, pour cela nous avons fait l’usinage des éprouvettes.

En second lieu, nous avons fait l’étude du comportement de l’acier 51CrV4 tout en se basant

sur les traitements thermiques et les essais mécaniques tels que l’essai Jominy, l’essai de traction et

celui de résilience que nous avons effectués.

En effet, les différents essais nous ont permis de conclure qu’un chauffage au-delà de la

température d’austénitisation provoque un grossissement des grains qui induit à une dégradation des

propriétés de cet acier. Pour éviter ce surchauffage, les lames de ressort doivent être austénitisé à

une température à 840°C. Pour atteindre ce but nous proposons de minimiser le temps de transfert

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des lames du four jusqu’au bain de trempe, et par suite on propose de rapprocher la presse de la

sortie du four et de positionner le bain de trempe au dessous de cette dernière.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

OUVRAGES DE REFERENCES :

[1] J.BARRALIS, G.MAEDER; «  Précis de métallurgie: élaboration, structure-propriétés et

normalisation », septembre 1986

[2] « Les Aciers-par R.BENSIMON »- TOME II, 1990

[3] Mahmoud BOUHAFS, «  Mise au point des conditions de traitements thermiques des ressorts à

lames », 2005

[4] A.G. LIGIER, « Conception et réalisation des ressorts industriels de qualité », Editions

Eyrolles 1974.

[5] Mahmoud BOUHAFS, « Métallurgie & Matériaux ; Aciers et fontes : Traitements Thermiques », 1998-1999

[6] Jean-Marie DORLOT, Jean-Paul BAÏLON, Jacques MASOUNAVE ; «  DES MATERIAUX », 1999

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[7] W.ORINANZ, « Introduction à la trempe », Paris 1961

[8] C.W. RICHARDS, « La science de matériaux de l’ingénieur », Paris 1965

TECHNIQUES DE L’INGENIEUR :

[T1] Robert Lévêque, Article M 330 << Aciers à outil >>

[T2] Guy MURRY, Article M302 << Désignation normalisée des aciers >>

[T3] Guy MURRY, Article M4530 << Aciers pour traitements thermique, propriétés et guide

de choix>>

NORMALISATIONS :

[N1] ISO 2162 – 1 « Documentation technique de produits – Ressorts Partie 1: Représentation

simplifiée ».

[N2] AFNOR NF A 35-571 « Essais mécaniques ». 

[N4] NF A 04-303 << essai Jominy >>

LISTE DES SITES INTERNET:

[S1] www.cotrel.com.tn

[S2] http://fr.wikipedia.org

4545 / / 4646 2008/20092008/2009

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[S 3] http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Eprouvette_charpy.svg

[S4] http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Traction_sample.png

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