Impact de l'usinage de superfinition sur la zone affectée par le procédé : application à un matériau multiphasé

par Jean-Baptiste Coudert

Thèse de doctorat en Chimie - physique

Sous la direction de Vincent Vignal et de Stéphanie Bissey.

Soutenue le 10-12-2014

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur (Dijon) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (Dijon) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Sébastien Chevalier.

Le jury était composé de Philippe Gilles.

Les rapporteurs étaient Halina Krawiec, Guillaume Fromentin.


  • Résumé

    Lors de l’usinage, les conditions de pression et de température à la surface usinée sont trèsélevées. La microstructure et l’état mécanique du matériau sont impactés, ce qui a desconséquences sur la réactivité chimique de la surface usinée. Dans cette thèse, ons’intéresse au tournage de superfinition de l’acier inoxydable martensitique X4CrNiMo16-5-1traité thermiquement (dénommé APX4 optimisé). Il présente la particularité d’êtremultiphasé à la température ambiante (martensite, ferrite et austénite). L’objectif est dequantifier les relations entre les conditions de coupe, les propriétés d’usage et ladégradation par corrosion des surfaces usinées. Des essais d’usinage en coupe orthogonale(type QST) ont été réalisés afin de comparer directement les résultats expérimentaux auxprédictions numériques 2D des surfaces usinées.Les changements de phase du matériau ont été étudiés par des essais de calorimétriejusqu’à 1200°C. Les cycles thermiques réalisés ont mis en évidence différentestransformations métallurgiques. L’étude bibliographique complémentaire permet deconclure quant aux possibilités de transformation de phase en usinage, qui sont quasiinexistantes du fait des cinétiques de chauffage extrêmement élevées en tournage.Les échantillons usinés ont été caractérisés avec une étude microstructurale parmicrographie optique et par MEB-EBSD. Ces deux techniques mettent en évidence lesdéformations importantes en extrême surface indiquées par l’étirement des îlots de ferriteparallèlement à la surface usinée. Ces résultats microstructuraux ont été mis en relationavec les résultats de microdureté Vickers. Une relation de la dureté superficielle a étéexprimée en fonction des conditions de coupe. La technique EBSD a permis de montrer pourles échantillons usinés dans les conditions les plus sévères la déformation de la ferrite avecapparition de sous-joints de grain, un affinement microstructural de la martensite et uneaccentuation de l’affinement de la matrice martensitique à proximité de la ferrite déformée.Une simulation numérique de prédiction des déformations à l’échelle macroscopiquea été réalisée. Ces résultats numériques ont été comparés aux résultats de déformation etde microdureté issus d’une campagne d’essais. Des essais numériques complémentairesappliqués à l’échelle de la microstructure (matériau considéré biphasé) permettent ded’appréhender la déformation de la phase ferritique et son influence locale sur ladéformation de la matrice martensitique. Ces résultats sont cohérents avec les résultatsexpérimentaux.Les phénomènes de corrosion par piqûres ont été étudiés par le biais d’essais depolarisation à l’aide de la microcellule électrochimique et d’essais spécifiques pulsés. Cesderniers essais ont permis l’analyse des piqûres générées (en diamètre et en densité). Larésistance à la corrosion localisée des surfaces d’acier inoxydable martensitique reste bonneaprès usinage, même améliorée (densité de piqûres plusieurs fois plus faible que l’état deréférence). Ce comportement est corroboré à l’état de compression de la surface.La microdureté de surface, qui est contrôlée majoritairement par l’avance, conditionne lepotentiel de piqûre. L’augmentation du diamètre de piqûre a été reliée à l’affinementmicrostructural (observé à partir d’un certain seuil de microdureté superficielle).

  • Titre traduit

    Impact of superfinish machining on the process-affected zone : case of a multiphased material


  • Résumé

    During machining, pressure and temperature conditions at the machined surface are veryintensive. Machined material microstructure and mechanical state are changed, whichimpacts the chemical reactivity of the machined surface. In this PhD study, we focus onsuperfinish turning of heat treated martensitic stainless steel X4CrNiMo16-5-1 (namedoptimized APX4). It has to be mentioned that this material has a multiphased microstructureat ambient temperature (martensite, ferrite and austenite). The aim is then to quantifyrelationships between cutting conditions, properties and the deterioration (corrosion) ofmachined surfaces. Machining trials in orthogonal cutting configuration (QST) have beenrealized in order to compare experimental results directly to 2D numerical forecast ofmachined surfaces.Material phase transformations have been studied by calorimetry tests until 1200°C. Testshave evidenced different metallurgical transformations. The complementary bibliographystudy allows to conclude that phase transformation possibilities during machining are veryquasi nonexistent due to extremely high heating kinetics in turning.Machined samples have been characterized by a microstructural study by opticalmicrography and SEM-EBSD. Both techniques highlight high strains in extreme machinedsurface as indicated by the stretching of ferrite islands in parallel to the machined surface.Microstructural results have been linked to the Vickers microhardness results. Surfacehardness has been expressed as a function of the cutting conditions.EBSD measurements have shown for machined samples in the most severe conditionsstraining of the ferrite with low angle grain boundaries, microstructural refining ofmartensite and heightening of martensitic matrix close to the strained ferrite.A numerical simulation predicting strains at the macroscopic scale has been carried out.These numerical results have been compared to strain and microhardness results arise fromone trials campaign. Further numerical simulations applied at the microstructure level(considered as biphased material) allow understanding of ferritic phase strain and its localinfluence on martensitic matrix strain. These results are consistent with experimentalresults.Pitting corrosion phenomenon has been studied by polarization testing using theelectrochemical microcell and specific pulsed testing. Last used method has been conductedto analyze the generated pits (diameter and density). Localized corrosion resistance ofmachined martensitic stainless steel surfaces remains good, even improved (few times lowerpitting density than the reference state). This behaviour is corroborated to the compressivestate of the surface.Surface microhardness, which is mainly controlled by the feed rate, conditions the criticalpitting potential. Increased pitting diameter has been linked to microstructural refining(observed above a surface microhardness level).

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