Etude des aspects microstructuraux lors du brochage d'aciers ferritiques-perlitiques : influence sur les mécanismes de coupe, la tribologie et les propriétés des matériaux

Study of microstructural aspects when broaching ferritic-pearlitic steels : influence on cutting mechanisms, tribological and material properties

• Auteur / Autrice : Iñaki Mirena Arrieta Galdos
• Direction : Joël Rech, Cédric Courbon, Pedro José Arrazola Arriola
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingénierie
• Date : Soutenance le 16/07/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne ; 1961-....) - École Centrale de Lyon (1857-....)
• Jury : Président / Présidente : Franci Pusavec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Rech, Cédric Courbon, Pedro José Arrazola Arriola, Guenaël Germain, Oscar Martin, Vincent Fridrici, Patxi Aristimuño
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guenaël Germain, Oscar Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tribologie (technologie)

Acier

Mots clés libres

Acier ferritique-perlitique

Tribologie

Brochage

Simulation

Ferritic-pearlitic steels

Tribology

Machining

Broaching

Simulation

Résumé

Les aciers de type ferrite-perlite sont largement utilisés dans le secteur automobile et dans l'industrie en général. Même si les aciers à structure FP sont parmi les matériaux les plus courants, ils ne sont pas au moins les matériaux les plus faciles à usiner. De nombreuses recherches ont été menées sur l'influence des inclusions dans les procédés d'usinage, mais d'autres recherches sont nécessaires. Précisément, les performances d'usinage semblent fortement dépendantes des paramètres microstructuraux. C'est pourquoi dans cette thèse, ce type d'aciers sera analysé en termes microstructuraux. Cinq types d'acier ont été fabriqués dans quatre variantes différentes de microstructure en ce qui concerne la taille des grains, le rapport ferrite-perlite, l'espacement interlaminaire et l'aspect perlite (bande ou globulaire). L'objectif principal de cette thèse est de comprendre l'influence de la microstructure des aciers ferrite-perlite tant dans la tribologie que dans l'usinage. À cette fin, Pour ce faire, plusieurs objectifs spécifiques ont été définis: (i) caractérisation des aciers FP obtenant leur microstructure, leurs caractéristiques mécaniques (tension de fluage compris) et leurs caractéristiques thermiques, (ii) l'identification du frottement en fonction des paramètres microstructuraux (iii) des forces, de la rugosité et de l'épaisseur des copeaux en fonction de la microstructure de l'acier FP et (iv) de la mise en place d'un modèle d'éléments finis capable de simuler le processus de brochage et de prédire les résultats expérimentaux.

Ferrita-perlita motako altzairuak oso erabiliak dira automozioan eta industrian oro har. Nahiz eta mekanizatzeko errazenak ez diren FP egitura duten altzairuak, material arrunten artean daude. Ikerketa asko egin dira inklusioen eraginaren inguruan mekanizazio prozesuetan, baina ikerketa gehiago behar direla argi dago. Hain zuzen ere, mekanizazio-errendimendua parametro mikroegituraren menpe dagoela dirudi. Horregatik, tesi honetan, altzairu mota hau aztertuko da mikroegitura. Bost altzairu mota lau mikroegitura aldaera desberdinetan fabrikatu dira alearen tamaina, ferrita-perlita-ratioa, perlitaren tarte interlinarra eta perlita mota (banda edo globularra) kontutan hartuta. Ikerketa-lan honen helburuak ondokoak dira (I) FP altzairuen karakterizazioa hauen mikroegitura, propietate mekanikoak (fluentzi tentsioa barne) eta propietate termikoak lortuz, (II) frikzioa identifikatu mikroegituraren arabera (III) indarrak, zimurtasunak eta txirbilaren zabalerak lortu eta aztertu mikroegituraren arabera eta (iv) mekanizazio mozketa simulatu eta emaitza esperimetalak aurreikusteko gai izango den eredu birtual bat garatu.

The Ferritic-Pearlitic (FP) steels are widely used in automotive and generally in engineering industry. Even if steels with FP structure are among the most common materials, they are not at the very least the easiest materials to machine. Many study researches have been undertaken on the inclusion contribution in the machining processes, but further investigation is required. More precisely, the machining performance appears to be highly dependent on the microstructural parameters. That is why in this research project this kind of steels were analysed in terms of its microstructural features. Five steel grades have been manufactured in four different microstructure variants regarding ferrite and pearlite percentage, hardness, interlamellar space of pearlite, grain size of ferrite and the aspect of pearlite (band or globular). The main goal of this research work is to understand the influence of FP steels microstructure in the broaching process. To do so, several specific goals have been defined: (i) characterization of the FP steels obtaining their microstructure, mechanical features (including flow stress) and thermal characteristics, (ii) friction identification depending on the microstructural parameters, (iii) experimental results of forces, roughness and chip thickness depending on the FP steel microstructure and (iv) development of a Finite Element Model able to simulate the broaching process and predict the experimental outputs.

Los aceros ferrito perlíticos (FP) son ampliamente utilizados en el sector del automóvil y en la industria en general. Aunque su uso es bastante común, no son considerados como los materiales más fáciles de mecanizar. Se han realizado muchos trabajos de investigación sobre la influencia de las inclusiones en el mecanizado, pero la realidad es que se requiere más investigación. Esto se debe a que el comportamiento de estos aceros en mecanizado está altamente relacionado con la microestructura. Esto es por lo que en este proyecto de investigación se van a estudiar estos aceros en función de su microestructura. Para ello se han fabricado cinco calidades de acero con cuatro variantes de microestructura considerando el tamaño del grano, la relación de ferrita-perlita, el espaciado interlaminar y el aspecto de la perlita (banda o globular). El objetivo principal de esta tesis es comprender la influencia de la microestructura de los aceros ferrita-perlita tanto en la tribología como en el mecanizado. Para ello, se han establecido los siguientes objetivos específicos (i) caracterización de los aceros FP obteniendo su microestructura, propiedades mecánicas (incluyendo la tensión de fluencia) y las propiedades térmicas, (ii) identificar la fricción dependiendo de la microestructura, (iii) obtener fuerzas, rugosidades y espesores de viruta dependiendo de la microestructura y (iv) desarrollo de un modelo numérico de corte capaz de simular y predecir los resultados experimentales.