Influence de la nitruration gazeuse sur la tenue en fatigue flexion des composants nitrurés en acier 42CrMo4

L’amélioration de la tenue en fatigue et de la sensibilité à la surcharge de l’acier 42CrMo4 par les traitements de nitruration est contrôlée par l’intégrité de la couche nitrurée. Celle-ci est limitée par une déformation admissible dépendant des conditions nitruration. La nitruration gazeuse confère à cette nuance une couche de combinaison (10 μm) fragile constituée de mélange, dans des proportions égales, de phases γ’ et ε et une couche de diffusion (310 μm) de dureté relativement élevée (1100 HV0,05) avec une distribution de contraintes résiduelles de compression (–700 MPa) en surface. La déformation admissible (εa) par cette couche est évaluée à 1,2 % et le taux d’amélioration de la tenue en fatigue, déterminé expérimentalement, est limité à 20 %. La sensibilité à la surcharge de cette couche est très importante par suite de son intégrité relativement limitée. Le critère de fatigue polycyclique de CROSSLAND intégrant les effets de durcissement superficiel et de contraintes résiduelles stabilisées constitue un outil de prédiction satisfaisant de la tenue en fatigue des couches nitrurées

Influence de la résistance à la fissuration de la couche de combinaison sur la tenue en fatigue des composants nitrurés

Le rôle de la qualité des couches de combinaison et de diffusion dans la résistance à la rupture par fatigue a été établi par l’étude comparative du comportement en fatigue-flexion de deux nuances d’aciers faiblement alliés, 42CrMo4 et 30NiCr11 dans leurs états trempé-revenu et nitruré. Deux types de traitement de nitruration industrielle (ionique et gazeuse) ont été sélectionnés pour avoir des couches durcies de profondeurs équivalentes mais de qualités pouvant être différentes.L’approche développée dans cette étude consiste dans une première étape à évaluer la qualité des couches nitrurées et leurs aptitudes à la déformation par traction. Dans une seconde étape, on détermine, à l’aide des essais de fatigue flexion, leurs effets sur la limite d’endurance à 106 cycles. A l’aide des analyses micrographiques et microfractographiques au MEB, on établit la relation entre la résistance à la fissuration de la couche de combinaison et l’amélioration de la durée de vie en fatigue.Les résultats obtenus montrent que cette durée de vie (Nr) est contrôlée par la phase d’amorçage (Na) à partir de la couche de combinaison. La propagation (Np), rapide dans la couche de diffusion durcie, est essentiellement contrôlée par la structure du matériau de cœur relativement ductile pour les deux nuances étudiées. L’amorçage des fissures de fatigue est sensiblement retardé lorsque la déformation de la couche de combinaison demeure bien en dessous du seuil admissible en traction (εr ≤ 2 %). Ce seuil dépend de la qualité de la couche de combinaison, définie par son intégrité (taux de porosité), sa microstructure (γ’ ou ε + γ’), son niveau de contraintes résiduelles de compression, faible (– 209 MPa) pour la nuance 30NiCr11 et élevé (– 840 MPa) pour la nuance 42CrMo4 et son état de durcissement superficiel. C’est pourquoi la nitruration n’apporte aucune amélioration dans le domaine de fatigue oligocyclique, pour les deux nuances, où la phase d’amorçage est réduite à néant (Na ≈ 0 et Nr # Nr). Dans le domaine de fatigue endurance une amélioration, environ 32 % en terme de limite d’endurance à 106 cycles, est obtenue pour la couche de combinaison de meilleure qualité (42CrMo4) par rapport à celle de l’acier 30NiCr11 responsable d’une dégradation d’environ 25 %