Contraintes résiduelles

a) Leurs origines

Les contraintes résiduelles sont des contraintes qui subsistent en l’absence de toute force extérieure appliquée à la pièce. Elles ont pour origine un dépassement local de la limite d’élasticité ce qui peut entrainer la génération d’une déformation plastique hétérogène.

- En usinage, l’apparition de contraintes résiduelles résulte d’une combinaison d’effets produits par l’opération de coupe : Des transformations physico- chimiques (transformations microstructurales, changements de phase dus à l’élévation de la température).

- Des effets thermiques (échauffement non homogène)

- Des effets mécaniques (écrouissage, mécanismes de la coupe)

Les contraintes résiduelles sont la superposition de trois types de contraintes que l’on appelle du 1er ordre, 2ème ordre et 3ème ordre (Figure I-7).

Les contraintes du premier ordre I sont celles qui s’appliquent à l’échelle d’un grand nombre de grains, celles du deuxième ordre II à l’échelle du grain, celles du troisième ordre

III à l’échelle de quelques distances interatomiques.

Figure I-7: Ordres des Contraintes Résiduelles

18 Les contraintes du premier ordre ou macro contraintes entraînent un déplacement du pic de diffraction et les contraintes du deuxième et du troisième ordre génèrent un élargissement de ce pic de diffraction qui peut s’interpréter en termes de micro contraintes. Cet élargissement permet de caractériser l’état de déformation plastique ou écrouissage du matériau.

b) Contraintes résiduelles associées à une opération de tournage.

Dans une opération de tournage classique, les contraintes résiduelles longitudinales ou transversales peuvent être de compression ou de traction. Généralement, elles sont de traction en surface, elles décroissent en profondeur et passent alors en compression (Figure I-8). Elles passent par un minimum et augmentent pour retrouver l’état de contraintes du matériau initial. Les paramètres utilisés pour la description du profil sont reportés sur cette même figure : ςcircsurf et ςaxsurf sont les contraintes axiales et circonférentielles en surface, ςcircmin et ςaxmin sont les valeurs minimales en compression en sous - couche, DEC est la profondeur en compression et DAC est la profondeur affectée par les contraintes résiduelles.

Les contraintes de traction sont d’origine thermique, elles sont généralement dues à l’élévation de la température de coupe en surface produite par le frottement entre la pièce et l’outil. Des phases de dilatation et de contraction apparaissent sous l’effet de la chaleur, ce qui va générer de forts gradients de déformation induisant des zones plastifiées. Les contraintes de compression sont d’origine mécanique, elles sont dues aux déformations plastiques qui accompagnent la formation du copeau (Figure I-9).

Les contraintes résiduelles obtenues sont donc dues à la compétition de ces deux phénomènes pendant l’usinage.

Figure I-8: Profil de Largeur de pic moyen a) et de Contraintes Résiduelles b) en profondeur pour une opération de tournage

-250 -200 -150 -100 -50 0 50

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Contraintes residuelles σax(Mpa)

profondeur (µm)

Sig ax Vc=70m/min

DEC

ςcircsurf

ςcircmin DAC

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Largeur de Pic Moyen (°)

profondeur (µm)

LPM Vc = 50m/min

LCsurf

D_LC

LPM initiale du matériau

a) b)

Bibliographie

19 Les études de plusieurs auteurs ont tendance à montrer que, de manière générale, l’augmentation de la vitesse de coupe entraîne une augmentation des contraintes résiduelles en surface et de la profondeur affectée *M’saboui 1999+ *Rech 2003+ *Dahlman 2004].

Figure I-9: Influence des effets thermiques et mécaniques sur les contraintes résiduelles.

Une étude récente a été effectuée par Valiorgue [Valiorgue 2008] sur l’influence des paramètres de coupe sur la répartition des contraintes résiduelles dans un acier inoxydable austénitique 316L. Les résultats confortent ceux obtenus par M’saoubi et Le Calvez.

Valiorgue modélise de plus le phénomène par une approche hybride dans laquelle les sollicitations thermomécaniques équivalentes à celle de la coupe sont directement appliquées sur la géométrie finale de la pièce usinée. Il déduit de cette modélisation un effet de la vitesse de coupe sur la valeur en surface des contraintes résiduelles et suggère que l’avance influe plus sur la profondeur affectée.

Peu de données sont disponibles dans la littérature sur l’intégrité de surfaces des alliages de titane.

Sun et Guo [Sun 2008+ ont, néanmoins, conduit un certain nombre d’essais sur un alliage de titane Ti-6Al-4V afin de caractériser les aspects d’intégrité de surface pour différentes conditions de fraisage. Ils concluent que la surface usinée présente une nature non réguliè re avec une rugosité arithmétique variant de 0,6µm à 1,0µm. Les contraintes résiduelles de surface sont de compression dans les deux directions. La vitesse de coupe et l’avance ont des effets différents. La valeur absolue des contraintes résiduelles de compression augmente avec la vitesse de coupe jusqu'à atteindre un maximum pour une vitesse de coupe de 80 m/min, alors qu’elle décroît avec l’avance. Ces remarques sont confortées par Shridhar

*Shridhar 2003+ qui a étudié l’effet des paramètres de coupe en fraisage sur la distribution des contraintes résiduelles dans un alliage de titane IMI -834.

Récemment Puerta Velasquez *Velasquez 2007+ a étudié les copeaux et l’intégrité de surface en usinage à grande vitesse de l’alliage Ti-6Al-4V. Il observe une modification des contraintes

20 résiduelles dans les surfaces usinées en fonction de la vitesse de coupe. Il note un passage de contraintes de compression à des contraintes en traction à partir d’une certaine valeur de vitesse de coupe. A cette vitesse, les contraintes en surface seraient nulles. Plus exactement, la valeur moyenne dans le volume diffractant serait nulle. Ce volume diffractant d’épaisseur de l’ordre de 5µm contient sans doute une couche en traction et une couche en compression.

Cette partie nous a permis de montrer que les contraintes résiduelles sont dues à la compétition entre l’effet mécanique et l’effet thermique. L’effet mécanique peut être estimé par la mesure des composantes de l’effort de coupe. Il est aussi important de pouvoir quantifier l’effet thermique pour affiner notre compréhension de l’apparition des contraintes résiduelles, mais aussi des couches blanches.