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REPUBLIQUE DU CAMEROUN REPUBLIC OF CAMEROON Paix-Travail-Patrie Peace-Work-Fath

REPUBLIQUE DU CAMEROUN REPUBLIC OF CAMEROON Paix-Travail-Patrie Peace-Work-Fatherland UNIVERSITE DE DOUALA UNIVERSITY OF DOUALA ECOLE NATIONALE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE DE DOUALA DOUALA NATIONAL HIGHER POLYTECHNIC SCHOOL DEPARTEMENT DE TRONC COMMUN DEPARTMENT OF COMMON CORE Présenter par le GROUPE N°11 : N° Noms et prénoms Matricule 1 KENGNE ARNOLD BORELE 18G00118 2 KAPO TAYOU STEVE LANDRY 18G00112 3 KANGA JULES DAREEN 18G00110 4 KAPOUO NONO ALANE LOIC 18G00113 5 KEMDJO TAGNE ARTHUR FABRICE 18G00116 6 KENFACK RAOUL CEDRAL 18G00117 7 KENGNE KILLIAN STEPHANE 18G00119 8 KENGOUM JOELLE CLAUDE INGRID 18G00120 9 KEUGUE TIONFE STEPHANE BRIDEL 18G00121 10 KANA PAUL ULRICH 18G00109 11 TEUFACK DJOUMESSI SYRUS PAVEL 17G97632 EXPOSÉ DE MATÉRIAU II THÈME : ORIGINES DES CONTRAINTES RÉSIDUELLES ET CALCULS DANS UN CAS SIMPLE DE MISE EN FORME Sur la supervision de : M.NGIHEMLE Marc Léony Désiré Enseignant de Matériau ANNÉE ACADÉMIQUE :2019-2020 Exposé de matériau II Groupe N°11 ANNEE ACADEMIQUE 2019-2020 Page 1 Table de Matière INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 2 I. DEFINITION ET PRESENTATION DES CONTRAINTES RESIDUELLES .................................................. 3 1. DEFINITION .................................................................................................................................. 3 2. LES TYPES DE CONTRAINTES RESIDUELLES .................................................................................. 3 II. ORIGINE DES CONTRAINTES RESIDUELLES ...................................................................................... 5 1. GENERALITE ................................................................................................................................. 5 2. CONTRAINTES RESIDUELLES ET LES MISES EN FORME A FROID ................................................. 6 III. CALCULS DES CONTRAINTES RESIDUELLES ................................................................................ 12 1. INFLUENCE DES CONTRAINTES RESIDUELLES SUR LES PIECES MECANIQUES ........................... 12 2. LES TECHNIQUES DE CALCUL DES CONTRAINTES RESIDUELLES ................................................ 15 3. CALCUL DES CONTRAINTES RESIDUELLES AU COURS DE L’ELABORATION D’UNE PIECE METALLIQUE : EXEMPLE DU TRIPLAM .............................................................................................. 18 CONCLUSION ......................................................................................................................................... 22 BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................................... 23 Exposé de matériau II Groupe N°11 ANNEE ACADEMIQUE 2019-2020 Page 2 INTRODUCTION n matériau désigne toute matière d’origine naturelle ou artificielle que l’on façonne pour en faire un objet. Ainsi il arrive que les ingénieurs pour répondre à des besoins de conception et de fabrication spécifiques réalisent des tests (de dureté, d’élasticité, ductilités, etc…) sur le matériau et le soumettent (volontairement ou involontairement) à plusieurs types de contraintes dont : la compression, la traction, la torsion, des contraintes résiduelles, le cisaillement etc.…. Notre étude portera sur les contraintes résiduelles dans le matériau, principalement leur origine et leur détermination. Il sera donc question pour nous de prime à bord de définir et présenter ces contraintes résiduelles, ensuite nous parlerons des origines de celles-ci et puis des différentes méthodes de calculs des contraintes résiduelles. U Exposé de matériau II Groupe N°11 ANNEE ACADEMIQUE 2019-2020 Page 3 I. DEFINITION ET PRESENTATION DES CONTRAINTES RESIDUELLES 1. DEFINITION Une contrainte correspond à la tendance d’un matériau à se déformer sous l’effet de forces externes ou internes exercées sur lui. Une contrainte décrit donc l’effet des forces exercées sur un matériau.il existe principalement cinq types de contraintes : la compression, la torsion, la traction, la flexion, et le cisaillement. Par ailleurs il existe aussi des contraintes dites résiduelles ; celles-ci peuvent être dues à celles sus mentionnées ou pas. De manière générale, Les contraintes résiduelles sont des contraintes existant dans les pièces mécaniques, en l'absence de sollicitations extérieures. La majeure partie des procédés de fabrication introduisent dans une pièce mécanique des contraintes résiduelles qui vont influencer son comportement en fatigue, en rupture et même en corrosion. Connaissant leurs méfaits, le premier souci a été de chercher à les atténuer. Cependant, lorsqu'on sait les prévoir, on cherche à les développer de manière favorable plutôt qu'à les éviter. Elles jouent donc un rôle très important dans la conception d’une pièce mécanique. 2. LES TYPES DE CONTRAINTES RESIDUELLES Des contraintes résiduelles existent dans pratiquement toutes les pièces rigides, métalliques ou non (bois, polymère, verre, céramique, etc.). Elles traduisent l’histoire métallurgique le cas échéant et mécanique de chaque point et de l’ensemble de la pièce au cours de son élaboration. En raison du caractère polycristallin et hétérogène des matériaux métalliques, elles peuvent provenir de déformations aux échelles macro-, micro- et submicroscopiques. On en distingue principalement trois qui dépendent de l’échelle à laquelle on les observe :  Les contraintes résiduelles du 1er ordre ou d’ordre macroscopiques (ߪூ) qui sont homogènes sur un grand domaine du matériau (sur plusieurs grains : échelle de quelques dixièmes de millimètres). Les forces internes liées à ces contraintes sont en équilibre ; ceci offre souvent un moyen simple d'évaluer la validité de leurs mesures. Ces contraintes du 1er ordre peuvent atteindre une forte intensité, due essentiellement à l'effet de facteurs externes (gradient thermique, profil géométrique de la pièce...). Ces contraintes sont celles qui sont prises en compte par l'ingénieur ; elles sont facilement mesurables expérimentalement, et calculables.  Les contraintes résiduelles de 2ème ordre ou contraintes dues à l’hétérogénéité et à l’anisotropie du cristal (notées ߪூூ) qui sont homogènes sur un domaine plus restreint du matériau (un grain ou une phase), à l'échelle de quelques dizaines de micromètres. Ces contraintes sont dues à l'incompatibilité des déformations entre grains, lors d'un retour élastique après un chargement. Les forces internes et les moments liés à ces contraintes sont en équilibre sur un assez grand nombre de grains. Des variations dimensionnelles macroscopiques peuvent résulter d'une modification de cet équilibre  les contraintes résiduelles du 3ème ordre (notées ߪூூூ) sont homogènes sur une échelle plus petite encore (quelques distances interatomiques soit quelques nanomètres). Ces contraintes sont induites par toutes les déformations résultant des défauts existant au niveau du réseau cristallin : lacunes, atomes interstitiels, atomes en substitution, dislocations, défauts d’empilement, macles, jusqu’aux joints de grains. Exposé de matériau II Groupe N°11 ANNEE ACADEMIQUE 2019-2020 Page 4 Figure 1 : Classification des contraintes résiduelles en pratique : a) Contraintes macroscopiques d'ordre 1 (échelle du polycristal), mesurables b) Contraintes microscopiques d'ordre II (échelle du grain) c) Contraintes microscopiques d'ordre III (échelle du réseau cristallin) En réalité, l'état des contraintes résiduelles dans un matériau réel est la superposition de ces trois ordres de contraintes. Ceci est schématisé, pour un matériau monophasé sur la figure suivante : Figure 2 : Représentation des différents ordres de contraintes résiduelles pour un matériau monophasé (ߪ௒ représente la contrainte en fonction de l'abscisse X sur une distance de plusieurs grains.) Ainsi La contrainte ߪோen un point est donc définie par : Il est à noter que, la séparation effective des différents ordres de contraintes n'est atteinte actuellement par aucune méthode de mesure. Cependant, cette décomposition a pour ߪோ= ߪூ+ ߪூூ+ ߪூூூ Exposé de matériau II Groupe N°11 ANNEE ACADEMIQUE 2019-2020 Page 5 intérêt de montrer qu'une hétérogénéité de déformation, introduite à toute échelle de la structure, entraîne l'existence de contraintes résiduelles. Etant donné qu'il est surtout difficile de distinguer les effets des contraintes d'ordres II et III, on divise souvent les échelles de contraintes en deux niveaux : -les macrocontraintes, qui correspondent aux contraintes du premier ordre et qui sont mesurables. -les microcontraintes, qui correspondent à la somme des contraintes d'ordre II et d'ordre III. Figure 3 : Origines des contraintes résiduelles d'ordres II et III II. ORIGINE DES CONTRAINTES RESIDUELLES 1. GENERALITE Les origines des contraintes résiduelles sont très diverses. Elles peuvent être classées en trois catégories: origine mécanique, origine thermique et origine métallurgique. Souvent une combinaison de ces différentes causes est à l'origine de l'apparition des contraintes résiduelles. Dans tous les cas, les contraintes résiduelles résultent d'hétérogénéités microstructurales et/ou macrostructurales. Plus précisément s’il n’existe pas d’hétérogénéité il n’y a pas de contraintes résiduelles. De manière générale Les contraintes résiduelles peuvent provenir : - D'hétérogénéités chimiques ou cristallographiques résultant de traitements thermiques superficiels (nitruration, cémentation...), - De transformations structurales de la matière avec une chronologie résultant du gradient thermique, provenant par exemple de traitements thermiques, Exposé de matériau II Groupe N°11 ANNEE ACADEMIQUE 2019-2020 Page 6 - De traitements superficiels divers (émaillage, nickelage, chromage, grenaillage, martelage), - D'écoulements plastiques non homogènes au cours d'un chauffage ou d'un refroidissement non uniforme (trempe classique, moulage des matières plastiques ...), - Des différences de coefficients de dilatation et des incompatibilités mécaniques entre les différents composants d'un composite (composites à matrice métallique, organique ou céramique, revêtements céramiques) 2. CONTRAINTES RESIDUELLES ET LES MISES EN FORME A FROID Les procédés de mise en forme à froid conduisent à l'introduction de contraintes résiduelles macroscopiques. Ces contraintes sont le résultat d'incompatibilités des déformations liées à l'hétérogénéité de la déformation plastique au sein de la matière polycristalline. Figure 4 : Schéma d'introduction des contraintes résiduelles par déformation plastique Malgré cette présentation simplifiée, la prévision des contraintes résiduelles par le calcul est très difficile, étant donné la difficulté de prendre en compte les conditions technologiques réelles (par exemple : action des outillages, effet des lubrifiants...). Nous présentons ici les profils des contraintes Exposé de matériau II Groupe N°11 ANNEE ACADEMIQUE 2019-2020 Page 7 résiduelles obtenus expérimentalement après laminage, skin-pass, emboutissage, repoussage et fluotournage. a) Contraintes résiduelles résultant d'un laminage et d'un skin-pass Le principe du laminage est de faire passer le métal, initialement chaud ou froid, entre des rouleaux qui tournent en sens inverse et provoquent une diminution de son épaisseur au profit d'une augmentation de sa longueur. L'entraînement du métal se fait par frottement avec les cylindres. Le procédé de laminage à froid plastifie toute la section de la tôle, les uploads/Voyage/ expose-de-materiau-2.pdf