Cas 01 / Fissuration lors du formage à froid par emboutissage
La bride de la vis s’est fissurée en réseau :
Retracer les causes à partir de la microstructure lamellaire et de la durcissement de surface
Sur une vis, la tige paraît normale, mais le bord de la bride, après emboutissage à froid, présente de fines fissures. Face à ce phénomène, se contenter de demander « le matériau n’est-il pas trop dur ? » ne suffit souvent pas.
L’analyse porte principalement sur l’apparition simultanée, près de la surface du matériau, d’anomalies microstructurales et d’une augmentation de la dureté. Nous avançons ainsi l’hypothèse que la structure lamellaire et une possible carburation superficielle ont conjointement réduit la capacité locale de déformation, favorisant la formation de fissures lors de l’emboutissage à froid de la bride.
Dans ce qui suit, nous exposerons clairement les résultats des analyses et reconstituerons cette chaîne de défaillance.
I. Contexte du cas : le client mandate Creation Group pour analyser une fissuration lors de l’emboutissage à froid
Une entreprise fabricante de pièces de fixation utilise du fil d’acier fourni par son fournisseur habituel pour produire des vis. Au cours de l’étape d’emboutissage à froid, elle constate l’apparition de fissures en réseau au niveau de la bride et mandate ensuite le groupe Creation Group pour l’aider à mener l’analyse.
Le client indique que le matériau est du SCM435, avec un diamètre de fil de 13,15 mm. Le matériau étudié dans ce cas n’a pas été fourni par Creation Group ; notre société a assuré l’analyse des échantillons envoyés pour examen, tandis que les informations relatives au client et au fournisseur ont été rendues anonymes.
Les éléments pris en compte pour cette analyse comprennent l’aspect extérieur des échantillons, les photographies métallographiques des sections transversales ainsi que les relevés de dureté micro-Vickers. Nous n’avons toutefois pas obtenu d’échantillons issus du même lot de fil d’origine, ni les enregistrements complets des traitements thermiques, ni de résultats quantitatifs concernant la concentration en carbone.
Aspect des fissures au niveau de la bride
Sur la bride de l’échantillon soumis à l’analyse, on observe plusieurs fissures courtes, localement entrelacées.
II. Découverte lors des analyses : la couche près de la surface présente non seulement une microstructure différente, mais aussi une dureté supérieure
Les photographies métallographiques montrent qu’à proximité de la surface de la section examinée se trouve une zone caractérisée par des différences marquées au niveau de la microstructure. Deux zones ainsi identifiées présentent des largeurs respectives de 78,56 μm et 105,64 μm, soit environ 0,08 à 0,11 millimètre.
À fort grossissement, on observe clairement dans cette région une structure lamellaire ou striée, distincte de l’aspect des carbures situés plus en profondeur.
Microstructure près de la surface et mesures locales
Les largeurs mesurées sur les deux zones signalées comme présentant des différences microstructurales ne correspondent pas directement à la profondeur d’enrichissement en carbone déjà déterminée.
Microstructure près de la surface à fort grossissement
Près de la surface apparaissent des structures lamellaires et striées particulièrement visibles ; le grossissement initial et l’échelle sont conservés.
Microstructure interne à fort grossissement
En comparant avec la Figure 3, observez la morphologie et la distribution des carbures ; les contrastes lumineux ne sauraient remplacer directement une analyse quantitative du contenu en carbone.
La dureté microscopique apporte un autre élément probant. Selon l’ordre des points de mesure « depuis le bord vers l’intérieur » indiqué dans le rapport d’analyse :
Comparaison Données d’analyse
Premier point près de la surface 260,5 HV0.1
Deux points suivants 248,5 et 240,6 HV0.1
Moyenne calculée pour l’intervalle 0,5–1,4 mm Environ 232,4 HV0.1
Différence entre le premier point près de la surface et cette moyenne Environ 28,1 HV0.1
Les différences observées au niveau de la microstructure et l’augmentation de la dureté se confirment mutuellement : la couche superficielle n’est pas simplement « légèrement plus foncée sur la photo », mais présente une microstructure et une réponse mécanique différentes de celles de l’intérieur.
Données d’analyse
Les données brutes issues des 15 points de mesure de la dureté micro-Vickers
Courbe de dureté
Courbe de dureté micro-Vickers
Les essais ont été réalisés selon la méthode HV0.1, sur 15 points au total. Les données et la courbe illustrent conjointement les variations de dureté entre les différents points ; leur interprétation doit tenir compte de la position respective de chaque point.
III. Première piste d’explication : pourquoi apparaît-il une microstructure lamellaire ?
L’objectif du recuit de sphéroïdisation n’est pas seulement de réduire un indice de dureté, mais aussi d’obtenir une morphologie et une distribution des carbures adaptées aux opérations ultérieures de déformation à froid.
Pour la microstructure lamellaire observée cette fois-ci, nous envisageons principalement deux mécanismes de formation : soit la perlite initiale n’a pas été suffisamment sphéroïdisée, soit de la perlite s’est reformée lors du refroidissement après chauffage.
L’explication thermique principale proposée ici est qu’un mauvais ajustement entre la température de chauffage, le temps de maintien et le processus de refroidissement a favorisé la persistance ou la régénération d’une perlite lamellaire.
Si le chauffage conduit à une austénitisation partielle, avec une température trop élevée ou un temps de maintien inadéquat à cette température, l’état de dissolution des carbures se modifie ; par la suite, un refroidissement peu propice à la formation de carbures sphériques peut entraîner la reformation d’une microstructure lamellaire. Le processus de sphéroïdisation implique à la fois la dissolution des carbures lors du chauffage et leur reprise sous forme précipitée au refroidissement ; il ne faut donc pas se limiter à un seul paramètre de maintien.
Ainsi, ce n’est ni « plus on maintient longtemps, plus c’est mou », ni « avoir effectué un recuit de sphéroïdisation garantit automatiquement une sphéroïdisation complète ». C’est avant tout la microstructure qui décide.
IV. Deuxième piste d’explication : l’atmosphère du four a-t-elle aggravé les anomalies en surface ?
L’enrichissement en carbone de la couche superficielle constitue une autre hypothèse majeure avancée concernant les causes technologiques dans le présent cas.
Si l’atmosphère du four présente une tendance à enrichir le matériau en carbone par rapport à l’acier, la surface du matériau risque de s’enrichir localement en carbone, modifiant ainsi la quantité de carbures présents, leur comportement de dissolution et de transformation dans cette zone, et conduisant à des états microstructuraux différents entre la surface et l’intérieur.
Cela pourrait alors se superposer à une anomalie du processus de sphéroïdisation : d’une part, la microstructure lamellaire n’est pas complètement éliminée ou se reforme ; d’autre part, l’enrichissement en carbone de la surface influence davantage la microstructure locale et la dureté.
Mais il convient de souligner une distinction importante : bien que les observations métallographiques et les mesures de dureté soutiennent cette hypothèse, elles ne permettent pas à elles seules de prouver formellement une élévation du taux de carbone. En effet, même à teneur en carbone identique, les variations de la morphologie microstructurale, de la taille des grains et de la distribution des carbures peuvent influencer les propriétés du matériau.
Aussi, dans le cas présent, l’hypothèse d’un « enrichissement en carbone par l’atmosphère » relève davantage d’une conjecture liée aux procédés qu’à un constat analytique quantitatif définitivement validé.
V. Pourquoi se manifeste-t-il finalement une fissuration en réseau sur la bride ?
Lors de la mise en forme de la bride, le matériau s’étend vers l’extérieur, augmentant sa surface ; la couche proche de la surface doit alors se déformer conjointement avec l’intérieur.
La présence d’une microstructure lamellaire ainsi qu’une dureté légèrement accrue en surface indiquent que la réponse déformative de cette région diffère de celle de l’intérieur. Sous l’effet des déformations locales de traction et de cisaillement, si la capacité de déformation y est insuffisante, des fissures peuvent apparaître rapidement.
Avec la poursuite de la mise en forme, des points faibles successifs se fissurent ; les fissures se propagent selon différentes directions et se connectent localement, aboutissant ainsi à une morphologie en réseau.
En termes simples : l’intérieur continue à se déplacer vers l’extérieur, tandis que la surface n’arrive plus à suivre, et plusieurs zones se déchirent successivement.
Le scénario de défaillance proposé ici est le suivant : un traitement thermique de sphéroïdisation mal maîtrisé a engendré une microstructure lamellaire résiduelle ou régénérée ; un possible enrichissement en carbone lié à l’atmosphère a accentué les différences microstructurales et de dureté près de la surface ; enfin, lors du forgeage à froid de la bride, une déformation locale inadaptée a provoqué des amorces de fissures multiples.
Ceci constitue la principale hypothèse mécanistique formulée à partir des données disponibles. Les échantillons prélevés ont été marqués sur la partie tige ; il n’est pas encore possible d’assimiler directement les observations réalisées sur cette section à l’affirmation selon laquelle « la fissuration de la bride aurait bel et bien débuté au niveau de la couche anormale ».
VI. Points clés à traiter : vérifier simultanément le processus de traitement thermique et le contrôle de l’atmosphère
Dès lors que deux facteurs sont mis en évidence, il ne suffit pas de se limiter à un seul paramètre de dureté pour les mesures correctives.
Premièrement, vérifier le processus réel de traitement thermique. En comparant la température de chauffage, la durée de maintien et la courbe de refroidissement effectivement subis par le matériau, déterminer si la microstructure lamellaire n’a pas été suffisamment sphéroïdisée ou si elle s’est reformée au cours du refroidissement.
Deuxièmement, contrôler l’atmosphère et la distribution du carbone en surface. Confronter les enregistrements du contrôle atmosphérique et réaliser, sur des fils bruts issus du même lot, une analyse couplée de la teneur en carbone, de la microstructure et de la dureté, depuis la surface jusqu’au cœur, afin de confirmer l’hypothèse d’enrichissement superficiel en carbone.
Troisièmement, valider l’efficacité des ajustements apportés en s’appuyant sur l’état de la microstructure et sur les résultats d’emboutissage. Il ne faut pas se contenter de constater une baisse globale de la dureté après ajustement ; il convient également d’examiner si la proportion de la microstructure lamellaire près de la surface a diminué, si l’état interne et externe est plus homogène, ainsi que d’évaluer les résultats obtenus lors des essais d’emboutissage à froid sur des pièces similaires.
Les données disponibles ne comprennent ni les résultats des recontrôles réalisés après correction ni les relevés de production en série ; c’est pourquoi nous ne présentons pas les orientations de traitement susmentionnées comme des mesures déjà validées et couronnées de succès.
VII. Conclusion du cas
Le principal mécanisme de défaillance identifié dans ce cas est le suivant : la présence d’une microstructure lamellaire près de la surface, associée à une localisation de la durcissement, réduit la capacité d’adaptation aux déformations et favorise l’apparition de fissures en réseau lors de l’étirage et de l’expansion au niveau de la bride pendant l’emboutissage à froid.
En ce qui concerne les causes de cette anomalie, l’accent doit être mis sur l’interaction entre un traitement thermique de sphéroïdisation mal maîtrisé et un possible enrichissement en carbone de l’atmosphère du four. La formation précise de la perlite secondaire et de cet enrichissement en carbone nécessite une vérification approfondie, en croisant les informations provenant des fils bruts, des procédures de traitement thermique et des enregistrements relatifs à l’atmosphère.
Ce cas montre qu’il ne suffit pas de se demander « quelle est la dureté moyenne » pour évaluer un matériau destiné à l’emboutissage à froid ; il faut aussi s’intéresser à la nature de la microstructure superficielle, à ses différences avec celle du cœur, et à sa capacité à accompagner, conjointement avec la partie interne, les déformations requises pour répondre aux exigences fonctionnelles du produit.
Lorsque le Groupe Creation Group assiste ses clients dans l’analyse des défaillances, il relie l’aspect extérieur des fissures aux données microstructurales et aux caractéristiques mécaniques, afin d’établir des hypothèses raisonnées et vérifiables, permettant ainsi de cibler précisément les actions correctives ultérieures.
La simple observation des fissures n’est que le point de départ ; c’est leur explication – comprendre pourquoi elles se sont produites – qui constitue la véritable valeur de l’analyse des défaillances.
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