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HAL Id: pastel-00539563 https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00539563 Submitted on 24 Nov 2010 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Étude du comportement mécanique et tribologique des aciers austénitiques au manganèse : application aux cœurs de voies ferroviaires Ridha Harzallah To cite this version: Ridha Harzallah. Étude du comportement mécanique et tribologique des aciers austénitiques au manganèse : application aux cœurs de voies ferroviaires. Matériaux. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2010. Français. <NNT : 2010ENMP0036>. <pastel-00539563> N°: 2009 ENAM XXXX MINES ParisTech CEMEF - CNRS UMR 7635 Rue Claude Daunesse - BP 207, 06904 Sophia Antipolis cedex - France École doctorale n° 364 : Sciences Fondamentales et Appliquées présentée et soutenue publiquement par Ridha HARZALLAH le 05 Novembre 2010 ETUDE DU COMPORTEMENT MÉCANIQUE ET TRIBOLOGIQUE DES ACIERS AUSTENITIQUES AU MANGANÈSE : APPLICATION AUX COEURS DE VOIES FERROVIAIRES Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École Nationale Supérieure des Mines de Paris Spécialité “ Science et Génie des Matériaux ” Directeurs de thèse : Eric FELDER et Saïd HARIRI Co-encadrement de la thèse : Anne MOUFTIEZ T H È S E Jury M. Zitouni AZARI, Professeur des universités, Ecole National d’Ingénieurs de Metz Rapporteur Mme. Caroline RICHARD, Professeur des universités, Polytech Tours Rapporteur M. Eric FELDER, Maitre de recherche, CEMEF, Mines ParisTech Directeur de thèse M. Saïd HARIRI, Professeur des écoles des Mines, DTPCIM, Ecole des Mines de Douai Directeur de thèse M. Jean-Pierre MAUJEAN, Responsable R&D, Outreau Technologie Examinateur Mme. Anne MOUFTIEZ Enseignant chercheur, DTPCIM, Ecole des Mines de Douai Examinateur Avant-propos Ce travail de thèse a été réalisé aux laboratoires du Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF) de l’école des Mines de Paris et du Département de Technologie des Polymère et Composites et Ingénierie Mécanique (DTPCIM) de l’école des Mines de Douai en collaboration avec Outreau Technologie du groupe Manoir Industrie et Eurotunnel. Je remercie M.Zitouni AZARI, professeur des universités de l’école National d’Ingénieur de Metz, d’avoir présidé mon jury de thèse et accepter d’être le rapporteur de ce travail. Je remercie également Mme Caroline RICHARD, professeur des universités du Polytech Tours, qui a accepté d’être le rapporteur de ce travail. Mes plus vifs remerciements vont à mes deux directeurs de thèse, M. Eric FELDER et M.Saïd HARIRI, professeurs des écoles des Mines de Paris et de Douai, sans qui ce travail n’aurait pu aboutir. J’adresse mes plus sincères remerciements à Mme Anne MOUFTIEZ, enseignant- chercheur au laboratoire de métallurgie de l’Ecole des Mines de Douai, pour avoir suivi mon travail aux quotidiens. Je remercie également M. Jean-Pierre MAUJEAN, responsable de Recherche et Développement à OT, qui m’a suivi en tant que tuteur industriel. Mes remerciements vont aussi à M. Patrick FLAHAUT, enseignant-chercheur au laboratoire de métallurgie de l’Ecole des Mines de Douai, pour m’avoir fait partager son expérience sur la métallurgie et donné de très précieux conseils. Ma reconnaissance s’adresse également à Suzanne JACOMMET et Bernard TRIGER pour leur aide précieuse en métallographie, Gilbert FIORUCI pour les essais mécaniques, Alain LE FLOC’H, Francis FOURNIER pour la conception des pièces. Je remercie sincèrement toutes les personnes qui m’ont aidé de près ou de loin et qu’il m’a été agréable de côtoyer, tout d’abord à Sophia-Antipolis puis à Douai : Marc et toute l’équipe, Simon, Lionel, Jordy, les membres du groupe SET, Stéphane, Bernard, Feiyi et tous les autres. Je remercie chaleureusement mes amis et ma famille pour m’avoir encouragée durant ces trois années. Enfin, je ne pourrais jamais autant remercier mes parents qui m’ont toujours suivi dans mes choix et encouragé. 1 Sommaire 2 Introduction générale………………………….……………………………………..............7 Chapitre 1 : Contexte scientifique et industriel : Les cœurs de voie..................................11 Introduction………………………………………...................................................................12 1.1. Contexte industriel………………………….…................................................................12 1.1.1. Définition des cœurs de voie …………………………………........................12 1.1.2. Sollicitations des cœurs de voie……………………………………….….......15 1.2. Réalisation des cœurs de voie…………………………………........................................15 1.2.1. Conception……….……………………….......................................................15 1.2.2. Fabrication.……………………………….......................................................16 1.2.3. Nuance actuelle …………...………………….………………………............17 1.2.3.1. Composition chimique……………………...…..………...................17 1.2.3.2. Microstructure avant TTH………………………..….…...…............17 1.2.3.3. Microstructure après TTH…………..………………….....…............18 1.2.3.4. Stabilité thermique de la microstructure………....…..…...………....19 1.2.4. Critères d’acceptation ……….………………...…..........................................20 1.2.4.1 Essai de résistance aux chocs………………………….....…...............21 1.2.4.2 Essais de soudabilité.…………………….….......................................23 1.2.4.3 Contrôle non destructifs du cœur de voie……….…………..………..24 1.3. Caractéristiques et propriétés d’utilisation actuelle…………….………...…...................25 1.3.1. Caractérisation d’un cœur de voie neuf………………...………….................25 1.3.1.1. Avant usinage…..……………………...….................…....................25 1.3.1.2. Après usinage…………..…………...…...........…..............................26 1.3.2. Endommagements en service et examen de cœurs de voie rebutés.….............26 1.3.2.1. Observations générales……………….……………..………..…..…26 1.3.2.2. Examen d’un cœur de voie utilisé par Eurotunnel.……....…….........30 1.3.2.3. Examen d’un cœur de voie utilisé par le réseau Anglais....…............32 1.4. Maintenance......................................................….............................................................32 1.4.1. Description………………..…..........................................................................33 1.4.2. Examen d’un cœur de voie rechargé…………………….................................33 Conclusion……………………………………........................................................................34 Chapitre 2 : Les aciers austénitiques au manganèse……………………...…………........37 Introduction………………………………………...................................................................38 2.1 L’acier Hadfield…………………………………..............................................................38 3 2.1.1 Composition chimique………………………………….....................................38 2.1.2 Caractérisation mécanique…………………………….......................................41 2.1.2.1 Etude du comportement mécanique durant l’essai de traction………..41 2.1.2.2 Mécanismes de l’écrouissage …………...............................................43 2.1.2.3 Dureté………………………………....................................................45 2.1.3 Réponse aux sollicitations de surface……………………………......................46 2.1.4 Utilisation dans le domaine ferroviaire……………............................................48 2.1.4.1 Contact roue/rail, roue/cœur de voie………………………………….48 2.1.4.2 Résistance à l’usure et à la fatigue de contact par roulement ………...50 2.2 Optimisation des propriétés des aciers Hadfield…………….............................................51 2.2.1 Durcissement dans la masse…………………………………………………….51 2.2.2 Durcissement de surface………………………………………………………...53 2.2.2.1 Le traitement par grenaillage………………………………………….54 2.2.2.2 Le durcissement par explosion………………………………………..54 2.2.2.3 Contraintes dans une pièce grenaillée ou traitée à l’explosif…………55 2.2.3 Durcissement par écrouissage des aciers austénitiques au manganèse…………55 Conclusion……………………………………………........................................................................59 Chapitre 3 : Développement de nouvelles nuances : Caractérisations métallurgique et étude du comportement mécanique.......................................................................................61 Introduction………………………………………...................................................................63 3.1 Développement de nouvelles nuances…………................................................................63 3.1.1 Introduction…………..........................................................................................63 3.1.2 Élaboration des nouvelles nuances………….......................................................64 3.1.3 Composition chimique et nuances retenues…….................................................65 3.1.4 Microstructure et dureté initiale…………...........................................................68 3.1.4.1 Observation par analyse EBSD………….............................................68 3.1.4.2 Taille de grains…………......................................................................69 3.1.4.3 Dureté………..…………......................................................................70 3.1.5 Conclusion partielle.............................................................................................71 3.2 Etude du comportement mécanique…………....................................................................71 3.2.1 Comportement en traction…………....................................................................72 3.2.1.1 Méthode de dépouillement de l’essai de traction…………..................73 3.2.1.2 Courbes contraintes-déformations………….........................................76 4 3.2.2 Comportement en compression………................................................................82 3.2.2.1 Courbes contraintes-déformations ……..............................................83 3.2.2.2 Comparaison traction-compression………………...............................86 3.2.3 Evolution de la microstructure……….................................................................88 3.2.3.1 Nuance standard……….......................................................................88 3.2.3.2 Les nouvelles nuances………..............................................................91 3.2.4 Durcissement………............................................................................................93 3.2.4.1 Nuance standard………........................................................................93 3.2.4.2 Nouvelles nuances……….....................................................................95 3.2.5 Étude de la rupture………...................................................................................97 3.2.5.1 Analyse des déformations et des contraintes à la rupture ……….……97 3.2.5.2 Analyse des modes de rupture………...................................................99 3.2.5.3 Analyse des faciès de rupture………..................................................101 3.2.6 Essais de rupture par chocs………………........................................................105 3.2.6.1 Résilience………………....................................................................105 3.2.6.2 Comparaison aux essais de traction………………............................105 Conclusion……………………………………......................................................................106 Chapitre 4 : Etude du comportement tribologique des Fe-Mn………............................109 Introduction……………………………………….................................................................111 4.1 Résistance à la fatigue de contact par roulement..............................................................111 4.1.1 Présentation de l’essai de roulement..................................................................112 4.1.1.1 Tribomètre rotatif et montage d’essai..................................................112 4.1.1.2 Choix des paramètres d’essais.............................................................114 4.1.1.3 Description des mesures......................................................................114 4.1.1.4 Effet de l’usinage des éprouvettes – Caractérisation de l’état initial..115 4.1.2 Effet du nombre de cycles de roulement............................................................115 4.1.2.1 Durcissement en surface……………………………………………..115 4.1.2.2 Evolution de l’état de surface………………………………………..118 4.1.2.3 Durcissement en coupe………………………………………………120 4.1.2.4 Evolution de la microstructure………………………………………123 4.1.3 Influence de la vitesse de roulement..................................................................127 4.1.3.1 Effet sur la nuance standard................................................................127 4.1.3.2 Effet sur les nouvelles nuances............................................................129 5 4.1.4 Effet de la force appliquée sur la nuance standard.............................................131 4.1.4.1 Durcissement en coupe........................................................................131 4.1.4.2 Evolution de la microstructure............................................................132 4.1.5 Conclusion partielle…...................................... .................................................133 4.2 Résistance aux sollicitations par chocs et glissement.......................................................135 4.2.1 Présentation des essais..................................................... .................................135 4.2.1.1 Présentation du banc d’essai de chocs et glissement...........................135 4.2.1.2 Présentation des essais…..................................................... ...............136 4.2.1.3 Choix des paramètres d’essais.............................................................138 4.2.2 Simulation numérique du contact pion-disque...................................................142 4.2.2.1 Description du modèle de simulation..................................................142 4.2.2.2 Présentation et analyse des résultats numériques................................145 4.2.2.3 Conclusion partielle.............................................................................148 4.2.3 Résultats et interprétation...................................................................................149 4.2.3.1 Évolution de la zone de contact..................................................... .....149 4.2.3.2 Perte de masse..................................................... ...............................154 4.2.3.3 Évolutions microstructurales.............................. ................................156 4.2.3.4 Comparaison avec un acier à rail.........................................................160 4.2.3.5 Essais complémentaires.......................................................................164 4.2.4 Discussion des résultats…….…………………………………………………166 4.2.5 Conclusion partielle...........................................................................................167 Conclusions.............................................................................................................................168 Conclusion générale et perspectives....................................................................................171 Annexe....................................................................................................................................177 Références bibliographique..................................................................................................199 6 7 Introduction générale 8 Le réseau ferré a beaucoup évolué ces dernières années. Il joue un rôle très important dans le domaine du transport dans le monde et notamment en France. Ceci se traduit par un réseau ferroviaire de plus en plus saturé. Les pièces constituant les voies (rails, cœurs de voie…) subissent des sollicitations de plus en plus élevées : nombre de trains, densité de trafic, vitesses et chargement plus élevées. Ainsi les opérations de maintenance sur les voies sont plus nombreuses et engendrent des pertes économiques considérable pour les exploitants du réseau. Le projet TTSA (Track Train System Availability - disponibilité de l’infrastructure ferroviaire) recherche et teste des solutions susceptibles d’optimiser la disponibilité de l’infrastructure ferroviaire : prolonger la durée de vie des rails, des soudures, aiguillages et cœurs de voies. Ce projet s’inscrit dans le cadre du pole de compétitivité i-Trans. Il regroupe des industriels et des laboratoires de recherche. Le pilotage d’ensemble est assuré par Eurotunnel. L’intérêt d’Eurotunnel pour ce projet est lié à la densité du trafic sur son réseau qui est parmi les plus importantes au monde. Notre étude concerne les cœurs de voie. Ce sont des pièces de grandes dimensions qui constituent la partie centrale des uploads/Science et Technologie/ these-ridah-harzallah-pdf.pdf