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

Effect of the white layer fracture strength on the fatigue life of nitrided steel

¹ Laboratoire de Mécanique, Matériaux et Procédés, ESST, Tunis (Tunisie).
² Département Matériaux, CETIM, Senlis (France).

Résumé

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 (N_r) est contrôlée par la phase d’amorçage (N_a) à partir de la couche de combinaison. La propagation (N_p), 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 (ε_r ≤ 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 (N_a ≈ 0 et N_r # N_r). 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 %.

Abstract

In this paper, the effects of the compound layers and the diffusion zone on the fatigue fracture resistance were studied through the comparison of the bending fatigue behaviors of the quenched-tempered state and the nitrited state of two steels, the 42CrMo4 and the 30NiCr11. Two types of industrial nitriding processes (ionic and gas) were selected to ensure an equivalent depth for the hardened layers and different surface qualities.

In the first stage, the nitrided layers quality was evaluated by microstructural investigation. The rate strain limit of these layers were determined by tensile tests. In the second stage, the effects of these hardened layers on the endurance limit at 10⁶ cycles was established using bending fatigue tests. Analysis of the S.E.M. micrographs of the fatigue fracture surface was used to establish the relationship between the compound layers fracture resistance and the fatigue life.

Results have shown that the fatigue life (N_r) is mainly controlled by the nucleation (N_a) which takes place at the compound layer. The rapid propagation of cracks in the brittle diffusion zone makes that growth (N_p) is governed by the core material structure which is relatively ductile. The fatigue cracks nucleation is delayed when the compound layer deformation remains lower than a critical threshold value (ε_r ≤ 2%). This threshold value depends on the compound layer quality, which is particularly characterized by its integrity (porosity), microstructure (γ’ or ε + γ’), compressive residual stresses level, low (-209 MPa) for the grade 30NiCr11 and high (-840 MPa) for the grade 42CrMo4 and surface hardening rate. Thus, no improvements of the fatigue life in the low cycle fatigue by these two nitriding treatments can be achieved. In the high cycle fatigue, improvement of about 32% of σ_D at 10⁶ cycles was realised with high compound layer quality for the 42 Cr Mo4 steel and a detrimental effect of about 25% was observed for the 30 NiCr 11 compound layer having lower quality.