Examen métallographique des engrenages : principes, méthodes et connaissances clés

Objectifs principaux et éléments de détection

• Profondeur de trempe superficielle : un indicateur clé de la résistance à l'usure des engrenages carburés/trempés (conformément à la norme ISO 6336).
• Taille du grain : influence la résistance et la ténacité de l'engrenage (classée selon la norme ASTM E112).
• Microstructure : les morphologies de la martensite, de l'austénite résiduelle et des carbures déterminent les performances en fatigue.
• Défauts de surface : détecte les brûlures de rectification et les fissures (conforme à la norme AIAG CQI-9).

Constituants microstructuraux de base

• Ferrite (α) : structure cubique centrée (CC), douce et tenace avec une faible dureté (~80 HV), courante dans les aciers à faible teneur en carbone et le fer pur.
• Austénite (γ) : structure cubique à faces centrées (CFC), grande plasticité et non magnétique, présente à haute température ou dans les aciers fortement alliés comme l'acier inoxydable 304 et l'acier au manganèse élevé.
• Cémentite (Fe₃C) : système cristallin orthorhombique, dure et fragile (~800 HV), améliore la résistance à l'usure, présente dans la fonte blanche et les aciers riches en carbone.
• Martensite : structure tétragonale centrée (BCT), grande dureté (500~1000 HV), obtenue par trempe, utilisée dans les aciers trempés et les aciers pour outils.

Morphologies microstructurales courantes

Procédé d'essai et méthodes normalisées

Échantillonnage et préparation des échantillons

• Positions d'échantillonnage : sommet de dent (évalue l'effet de la trempe superficielle), racine de dent (analyse la microstructure dans les zones de concentration de contraintes), section transversale (mesure le gradient de trempe superficielle).
• Principales étapes de préparation : découpage → montage → meulage → polissage → attaque → observation microscopique.
• Montage : utiliser une résine époxy pour la protection des bords (montage à froid recommandé pour éviter les effets thermiques).
• Polissage : polir jusqu'à une finition miroir de 0,05 μm avec un abrasif au diamant afin d'éviter les interférences dues aux rayures.

Choix de l'agent d'attaque

Équipement clé de test

Microscope optique (MO)

• Application : observation de base de la microstructure (par exemple, classification de la taille des grains).
• Exigences de configuration : grossissement de 500× à 1000×, équipé d'un logiciel d'analyse d'image (par exemple, Olympus Stream).

Microscope électronique à balayage (MEB)

• Avantages : Observation à haute résolution des inclusions non métalliques (par exemple, MnS) et analyse de composition par EDS.
• Exemple d'application : Fissures intergranulaires causées par une ségrégation du soufre détectées lors de l'analyse de rupture d'un boîtier de transmission pour éolienne.

Essai de microdureté

• Méthode : Essai de dureté Vickers (HV0,3~HV1) en gradient pour tracer les courbes de trempe superficielle.
• Norme : L'ISO 2639 définit la profondeur de trempe superficielle comme la distance entre la surface et le substrat à 550HV1.

Analyse de la microstructure

Structures cristallines normales

Défauts courants et causes

• Carburation excessive : réticulation de carbures en surface, augmentant la fragilité et le risque d'écaillement de la surface des dents.
• Échauffement au meulage : couleurs de revenu mises en évidence par piquage (ASTM E1257), évité en contrôlant la vitesse d'avance et en utilisant des meules CBN.
• Fissures de trempe : propagation intergranulaire avec extrémités pointues (confirmée par MEB).