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Résumé thèse Pascale BRUCKEL (v.2)

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Oxydation de l'acier à outils X38CrMoV5 à 600-700°C et en présence de vapeur d'eau

 

Pascale BRUCKEL - 3 décembre 2003

Enjeux :
La problématique principale à laquelle doivent répondre les industriels "développants" des matériaux métalliques est d'améliorer leurs performances en terme de durée de vie afin de répondre aux attentes des industriels "exploitants". Les bureaux d'études "développants" nécessitent pour cela de meilleures connaissances du comportement des matériaux et des mécanismes mis en jeux dans la réduction de leur durée de vie selon les conditions industrielles d'exploitation.

Technologies mises en oeuvre :
Ce travail s'applique aux aciers utilisés dans les procédés de mise en forme à chaud tels que le forgeage, l'injection de métaux fondus,... et au cours desquels, les aciers à outils comme le X38CrMoV5 subissent des contraintes cycliques thermiques et/ou mécaniques sévères. De plus, l'atmosphère environnante est chimiquement agressive du fait de la présence de lubrifiants, de vapeur d'eau... De multiples sources d'endommagements (thermiques, mécaniques et chimiques) peuvent donc être impliquées dans la rupture des outils de mise en forme à chaud pendant leur service.

Positionnement du sujet :
En surface de l'acier X38CrMoV5, les principaux endommagements chimiques sont liés à la croissance de couches d'oxydes. En effet, la formation de ces couches conditionne largement les mécanismes de dégradation des outillages et interfère grandement dans les propriétés de l'interface «outils / matériaux transformés». Très souvent, l'oxydation a des effets négatifs (usure de l'outil, dégradation de l'état de surface, amorçage de rupture...), mais elle peut parfois être utilisée de façon bénéfique pour modifier les propriétés tribologiques de l'acier. Ainsi, l'objectif applicatif du travail de thèse est de fournir aux industriels "développants" une caractérisation simple du comportement à l'oxydation de l'acier X38CrMoV5 (base de données expérimentales, modèles) utilisable pour améliorer la durée de vie des outillages pendant leur utilisation par les industriels "exploitants".

Résultats :
L'étude montre que les couches d'oxydes qui se développent dans l'air humide sont moins protectrices (épaisses, poreuses, fissurées et parfois déformées) que celles formées dans l'air sec (minces, compactes et adhérentes à leur substrat). Des informations complémentaires sur les propriétés des couches d'oxydes formées dans l'air sec (stabilité chimique, caractéristiques mécaniques...) sont nécessaires avant d'établir si un traitement de surface tel qu'une "pré-oxydation" dans l'air sec peut fournir une protection efficace pour les outillages de mise en forme à chaud.
Les travaux dans l'air humide indiquent que les endommagements par déformation ou fissuration des couches superficielles d'oxydes sont directement liés aux processus de croissance des couches d'oxydation, c'est-à-dire à la physico-chimie plutôt qu'à l'état de contraintes internes du système oxydes/acier. La croissance des couches d'oxydes dans l'air humide est décrite par un modèle qui est basé sur des observations originales réalisées in situ dans la chambre d'un microscope électronique à balayage environnemental (MEBE). Le modèle de croissance «par strates» (ou «stratification») explique la présence de pores et de fissures dans les couches d'oxydes.

Mots clés :
oxydation des aciers à outils, caractère protecteur des couches d'oxydes, endommagement des couches d'oxydes, croissance «par strates» (ou «stratification») des couches d'oxydes.

Applications :
La problématique de l'influence environnementale sur les endommagements de surface concerne un grand nombre de matériaux métalliques : par exemple, les alliages au titane ou à base nickel utilisés pour la fabrication de moteurs aéronautiques, ou les aciers inoxydables utilisés sur les lignes d'échappement automobile, les réacteurs chimiques, les centrales électriques. De ce fait, l'utilisation du MEBE peut être conseillée pour développer et/ou valider des modèles de croissance des couches d'oxydes.