Pourquoi la réduction de la teneur en oxygène n'améliore-t-elle pas la durée de vie en fatigue de l'acier à roulement ? Après analyse, il apparaît que cela est dû au fait que, suite à la réduction des inclusions d'oxyde, l'excès de sulfure devient un facteur défavorable à la durée de vie en fatigue de l'acier. Seule une réduction simultanée des teneurs en oxydes et en sulfures permet d'exploiter pleinement le potentiel du matériau et d'améliorer significativement la durée de vie en fatigue de l'acier à roulement.
Quels facteurs influencent la durée de vie en fatigue de l'acier à roulement ? Les problèmes ci-dessus sont analysés comme suit :
1. Effet des nitrures sur la durée de vie en fatigue
Certains chercheurs ont souligné que l'ajout d'azote à l'acier entraîne une diminution de la fraction volumique de nitrures. Ceci est dû à la réduction de la taille moyenne des inclusions dans l'acier. Malgré les limitations technologiques, un nombre considérable d'inclusions inférieures à 5 mm (0,2 pouce) sont encore dénombrées. C'est précisément la présence de ces minuscules particules de nitrure qui influe directement sur la durée de vie en fatigue de l'acier à roulements. Le titane (Ti) est l'un des éléments les plus aptes à former des nitrures. Sa faible densité lui confère une grande mobilité. Une partie du Ti reste piégée dans l'acier et forme des inclusions multiangulaires. Ces inclusions sont susceptibles de provoquer des concentrations de contraintes locales et des fissures de fatigue ; il est donc essentiel de contrôler leur formation.
Les résultats des tests montrent que la teneur en oxygène de l'acier est réduite à moins de 20 ppm, la teneur en azote est augmentée, la taille, le type et la distribution des inclusions non métalliques sont améliorés, et les inclusions stables sont significativement réduites. Bien que la quantité de particules de nitrure dans l'acier augmente, ces particules restent très petites et dispersées aux joints de grains ou à l'intérieur des grains, ce qui constitue un facteur favorable. Ainsi, la résistance et la ténacité de l'acier à roulement sont bien adaptées, et sa dureté et sa résistance sont considérablement accrues. L'amélioration de la durée de vie en fatigue de contact est particulièrement notable.
2. Effet des oxydes sur la durée de vie en fatigue
La teneur en oxygène de l'acier est un facteur important qui influence ses propriétés. Plus cette teneur est faible, plus la pureté de l'acier est élevée et plus sa durée de vie nominale est longue. Il existe une relation étroite entre la teneur en oxygène et la formation d'oxydes. Lors de la solidification de l'acier en fusion, l'oxygène dissous dans l'aluminium, le calcium, le silicium et d'autres éléments forme des oxydes. La quantité d'inclusions d'oxydes est fonction de la teneur en oxygène : plus cette dernière diminue, plus les inclusions d'oxydes diminuent. La teneur en azote, de la même manière que celle en oxygène, est également liée à la formation de nitrures. Cependant, comme les oxydes sont plus dispersés dans l'acier, ils jouent le même rôle que les carbures et n'ont donc pas d'effet néfaste sur la résistance à la fatigue de l'acier.
En raison de la présence d'oxydes, l'acier rompt la continuité de sa matrice métallique. Le coefficient de dilatation des oxydes étant inférieur à celui de la matrice, sous l'effet de contraintes alternées, une concentration de contraintes se forme facilement, amorçant ainsi la fatigue du métal. Cette concentration de contraintes se situe principalement à l'interface entre les oxydes, les inclusions ponctuelles et la matrice. Lorsque la contrainte atteint un seuil critique, des fissures apparaissent, se propageant rapidement et provoquant la rupture. Plus la plasticité des inclusions est faible et leur forme pointue, plus la concentration de contraintes est importante.
3. Effet des sulfures sur la durée de vie en fatigue
La quasi-totalité du soufre contenu dans l'acier se présente sous forme de sulfures. Plus la teneur en soufre est élevée, plus la teneur en sulfures est importante. Cependant, comme les sulfures sont bien enrobés d'oxydes, l'influence de ces derniers sur la durée de vie en fatigue est réduite. Par conséquent, l'influence du nombre d'inclusions sur la durée de vie en fatigue n'est pas absolue et dépend de la nature, de la taille et de la distribution des inclusions. Plus les inclusions sont nombreuses, plus la durée de vie en fatigue est courte, et d'autres facteurs influents doivent être pris en compte de manière globale. Dans les aciers à roulement, les sulfures sont dispersés et finement répartis, et mélangés à des inclusions d'oxydes, ce qui les rend difficiles à identifier, même par des méthodes métallographiques. Des expériences ont confirmé que, par rapport au procédé initial, l'augmentation de la teneur en aluminium a un effet positif sur la réduction des oxydes et des sulfures. Ceci est dû au fort pouvoir désulfurant du calcium. Les inclusions ont peu d'effet sur la résistance, mais sont plus néfastes pour la ténacité de l'acier, et le degré de dommage dépend de la résistance de ce dernier.
Xiao Jimei, expert reconnu, a souligné que les inclusions dans l'acier constituent une phase fragile : plus leur fraction volumique est élevée, plus la ténacité est faible ; plus les inclusions sont grandes, plus la ténacité diminue rapidement. Concernant la ténacité à la rupture par clivage, plus les inclusions sont petites et rapprochées, plus la ténacité non seulement ne diminue pas, mais augmente. La rupture par clivage est moins probable, ce qui accroît la résistance à ce type de rupture. Un test spécifique a été réalisé : deux lots d'acier, A et B, appartiennent au même type d'acier, mais leurs inclusions diffèrent.
Après traitement thermique, les deux lots d'aciers A et B ont atteint la même résistance à la traction de 95 kg/mm² et leurs limites d'élasticité étaient identiques. En termes d'allongement et de striction, l'acier B présente des valeurs légèrement inférieures à celles de l'acier A, mais reste conforme. Après essai de fatigue (flexion rotative), il a été constaté que l'acier A est un matériau à longue durée de vie et à limite de fatigue élevée, tandis que l'acier B est un matériau à courte durée de vie et à limite de fatigue faible. Lorsque la contrainte cyclique de l'échantillon d'acier dépasse légèrement la limite de fatigue de l'acier A, la durée de vie de l'acier B n'est que dix fois inférieure à celle de l'acier A. Les inclusions présentes dans les aciers A et B sont des oxydes. En termes de quantité totale d'inclusions, la pureté de l'acier A est inférieure à celle de l'acier B, mais les particules d'oxyde de l'acier A sont de taille uniforme et réparties de manière homogène ; l'acier B contient quelques inclusions de grande taille, dont la répartition est hétérogène. Ceci confirme pleinement le point de vue de M. Xiao Jimei.
Date de publication : 25 juillet 2022