Contr ibut ion & I' tude

en fonct ion des tats

des surfaces rectifi es

de I'adh sivit col le-acier

micro-g om triques

et rectifi es sabl es

Y. G I L I B E R T (~), C. C O L L O T (2)

Nous avons mis au point une ~prouvette du type double recouvrement symktrique, sollicit~e en traction, pour ktudier l'adh~sivit~ colle-acier en fonction de l'ktat de surface des subjectiles. Celui-ci est dOtermind par plusieurs proc6d~s, en particulier par la m~thode R N U R - E N S A M .

Nous montrons que : - - des sablages Mentiques executes sur des subjectiles de m~me nature assurent une bonne

reproductibilitO clans la mesure de la rOsistance au cisaillement," - - la qualitd d'un collage dOpend des propriitOs micro-gOomOtriques des subjectiles," - - notre modkle expOrimental permet de dkterminer avec prdcision, et avec un hombre d'essais

limitk, les caractdristiques mdcaniques d'une colle.

La faible dispersion des rOsultats obtenus avec les subjectiles sablOs devrait permettre d~tudier avec succ~s l'Ovolution des propridtOs mdcaniques du matOriau en fonction du temps, c'est-d-dire la susceptibilitd au vieillissement.

P R I N C I P A L E S N O T A T I O N S UTILISI~ES

A

AR, Aw

F J I

ll P R

R.F.

: time, composant en acier; : pas moyen ou longueur d 'onde moyenne

de la rugosit6 et de l 'ondulation; : 6cart moyen ari thm6tique par rappor t /~

la ligne moyenne; : profondeur de coupe; : 6paisseflr des mat6riaux composites cons-

t i tuant le module exp6rimental;

" force de traction; : joint de r6sine; : longueur de collage; : largeur des subjectiles; : profondeur; : rugosit6; : rectification fine;

(t) Ing6nieur CNAM, Maitre Assistant /l I'IUT de Reims. (2) Professeur sans chaire fi I'IUT de Reims, Laboratoire

Sciences des Mat6riaux, U.E.R. Sciences Exactes et Naturelles, Reims (51 t00).

R.G. : rectification grossi~re; R.G.S. : rectification grossi~re sabl6e; rcp : rectification plane; T : a rmature coll6e; Tp, TR, Tw : pourcentages por tants ; t : indice d 'un crit~re d'6tat de surface, signi-

fiant total (e); W : ondulat ion; XC : qualit6 d'acier.

I N T R O D U C T I O N

Dans un pr6c6dent travail [1], nous avons d6crit deux types d'essais permet tant d'6tudier des ruptures par cisaillement en traction et en compression d '6prou- vettes en mort ier plaqu6.

Pou r des collages correctement r6alis6s, la rupture se produi t toujours darts le mortier.

Lorsque l '&at de surface de racier n'est pas saris- faisant, la rupture peut se p rodu i r e / t l ' interface colle- acier. I1 nous a doric paru int6ressant de consid6rer

425

V O L . 8 - N ~ 4 8 - M A T I ~ R I A U X ET C O N S T R U C T I O N S

la liaison macanique colle-acier suivant l'atat gaom& trique d'une part, la structure des subjectiles matal- liques d'autre part [2].

Nous avons r~alis~ une ~prouvette de traction [3] du type double recouvrement sym&rique [4], afin d'&udier l'adhasivit~ colle-acier en fonction de l'&at de surface du m&al. L'aprouvette est soumise /i une force de cisaillement, qui entraine finalement sa ruine.

L'&at de surface des subjectiles est d&ermin~ par plusieurs proc&das dont la m&hode RNUR- ENSAM [5].

Nous avons effectu6 des essais avec des tales d'acier contenant 0,18 % de carbone (nuance XC 18), pr& sentant des 6tats de surface tr~s diff~rents mais parfai- tement dafinis, qui peuvent &re reproduits avec une grande precision.

Nous avons &alu~ les caractaristiques macaniques de subjectiles sablas; il apparait une faible dispersion dans nos r~sultats pour des 6prouvettes identiques.

r

I I

e l = 4

"j :qs

) t

&

�89

6

I I I

:-y

axe g~'om[-l,r iq u e de I1 f[,prouvetl'e

ame A

joinl, d

l,ole T

Fig. 1. - - Schama de 1'aprouvette de traction.

Nous avons egalement observ6 les joints colles au microscope optique et quelques facias de rupture au microscope 61ectronique fi balayage.

1. I~TUDE DU MATI~RIEL EXPI~RIMENTAL

1.1. Remarques praliminaires

L'&ude des assemblages acier-mortier sollicitas en traction, en fonction de l'&at de surface des subjectiles, pour un meme type de colle et dans des conditions exparimentales identiques, nous a montr6 que l'on obtient :

- - so i t des ruptures par cisaillement partiel du mortier et de la colle;

- - so i t des ruptures par d&ollement aux inter- faces mortier-colle ou colle-acier.

Le macanisme de rupture semble donc complexe. Dans un premier temps, il est plus simple d'&udier les forces de liaison entre l'acier et la colle. Une lois que nous aurons d&ermin6 les conditions optimales d'adh~rence de la colle sur l'acier, nous caractariserons plus sfirement dans le b&on plaqu6 des ruptures par cisaillement du mortier ou de la colle.

D'autre part, cette 6tude peut aussi contribuer fi mieux faire connaitre le m&anisme de rupture des assemblages acier-colle-acier, en ganaral.

Nous avons mis au point une 6prouvette de traction dont la gaom&rie des assemblages sym&riques ~ double recouvrement est comparable ~t celle qui est consid&ae par Volkersen dans son modale thaorique [3].

1.2. Le modale exparimental

La figure 1 dacrit l'~prouvette qui doit &re adapt& sur une machine de traction Testwell [6] du type Us, l'effort maximal davelopp6 est de 5 000 daN.

1.2.1. SECTION DE L'AME A

L'firne A, comme les tales T, sont constituaes par de racier contenant 0,18 % de carbone (nuance XC 18). Compte tenu de la capacit6 de la machine et de la rasistance/~ la rupture de I'XC 18, la section de l'5.me a at6 fixae ~t 100 mm 2. Cette derniare &ant carr&, les dimensions ea et 11 sont 6gales/~ 10 mm.

1.2.2. ]~PAISSEUR e r DES TOLES T

Nous avons choisi une 6paisseur constante e r = 4 m m

pour toutes les 6prouvettes sollicitaes, puisque notre but est de mettre en &idence la variation de la contrainte de cisaillement suivant l'atat de surface.

1 . 2 . 3 . LONGUEUR DE RECOUVREMENT /

Le recouvrement dolt &re suffisamment long pour &re rasistant et pour nous permettre de disposer au moins cinq jauges d'extensom&rie, espacaes de 20 mm, d'o/l l= 88 mm.

1.2.4. ]~PAISSEUR ea DU JOINT J DE COLLE

L'assemblage des tales T avec l'fime A est raalis6 par des joints J de colle d'apaisseur constante, d&er- minae par l'intermadiaire d'entretoises. Dans notre 6tude, nous prendrons e j=0,5 mm.

426

1.3. l~laboration des diff6rents 616ments constituant le mod61e exp6rimental

1 . 3 . 1. ADAPTATION DE L'EPROUVETTE SUR LA MACHINE DE TRACTION

Comme il faut multiplier les essais de traction, le mod61e pr6c6demment d6fini doit 8tre le plus simple possible et il doit atre facilement adaptable sur la machine de traction.

Pour cela, nous avons r6alis6 des pinces [4] permet- tant d'accrocher les 6prouvettes (fig. 2). L'une agit directement sur l'fime A et l'autre sur les t61es, par l'interm6diaire d'une pi6ce (h) 0q 9. 3), dont les carac- t6ristiques sont voisines de celle de l'fime. Cette piSce est rendue solidaire des t61es grace /t un systSme de crantage effectu6 dans les brides (i) et les t61es (73. Les crans sont perpendiculaires aux axes des subjec- tiles et assurent l'alignement de l'ensemble.

Les brides correctement serr6es maintiennent le dispositif de crantage pendant l'essai de traction.

t2tant donn6 la sym6trie du mod61e, les pinces employ6es doivent permettre d'appliquer la force de traction suivant l'axe gdom6trique Oz de l'fime (A) (fig. 1). Le moyen mdcanique retenu est bas6 sur le principe de l'alignement r6alis6 /t l'aide de 2 rotules. L'isostatisme de l'ensemble est respect6 et l'on pallie un 6ventuel d6faut d'alignement des pinces de la machine de traction.

m

I

Fig. 2. - - Pince de traction.

Y. GILIBERT, C. COLLOT

-.-4.-

f ~ T

o m e A

@

Fig. 3. - - R6alisafion de 1'6prouvette de traction.

1.3.2. LE COLLAGE DES T(7)LES SUR L'AME

Le collage des t61es sur l'fime est r6alis6 par l'inter- m6diaire des joints J constitu6s par un film de r6sine 6poxyde, d'6paisseur constante es=0,5 ram.

Rappelons que la qualit6 d'un collage d6pend de plusieurs facteurs :

- - le type de colle qui constitue J; - - la nature des subjectiles de A et T; - - l'6tat de surface des subjectiles de A et T; - - la mouillabilit6 de J par rapport aux subjectiles

de A et T; - - le processus de collage utilis6.

C'est notamment l'6tat de surface des t61es utilis6es que nous faisons varier. Afin d'obtenir des conditions de collage reproductibles, tous les autres param6tres sont fix6s avec precision.

427

V O U 8 - N ~ 4 8 - M A T g R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

1.3.2.1. La colle utilis(e

Nous avons choisi la r4sine Eponai 317 [7] qui est recommand4e pour le collage rapide d'dldments en b6ton, c4ramique, m4tal, bois, entre eux ou sur diffd- rents supports. Son module d'61asticit6 et sa rhsis- tance 5. la traction ont pour valeurs respectives : Ej = 72 000 daN. cm- 2 et T~ = 250 daN. cm - ~.

1.3.2.2. Le moyen de serrage

Pour que le processus de collage soit reproductible, la pression de collage doit 6tre uniform6ment r6partie et contrdI~e.

Les deux conditions pr6c6dentes sont r6alis6es 5. l'aide d'un 6tau adapt6 fonctionnant en position verti- cale. Deux tiges cylindriques et deux aimants statiques permettent de placer et de maintenir les pi6ces ~t assembler.

1.3.2.3. Pr@aration des surfaces

Des but6es coll6es sur les subjecti!es fi l'aide d'une colle tr& rapide au cyanure : cyanolit [8] permettent d'obtenir /=88+0,1 mm sur toutes les 6prouvettes.

Les t61es en XC 18 sont usindes et rectifi6es sym~- triquement par rapport au cceur du barreau d'os elles sont extraites. Elles ne subissent aucune d6for- mation appr6ciable avant le collage. Nous avons pu ainsi obtenir un parall61isme satisfaisant entre les t61es. Apr6s le durcissement de la colle, nous avons effectu6 des contr61es sur nos 6prouvettes et nous avons mesur6 des d6fauts de parall61isme toujours infdrieurs au 1/i0 de millim6tre.

2. l~TAT DE SURFACE DES SUBJECTILES DE T ET DE A

A notre avis, le d6graissage et la modification de la surface rdeIle, c'est-h-dire celle qui r6sulte de ta fabri- cation, constituent deux param6tres importants. La surface doit 6tre chimiquement propre, c'est-5.-dire d6barrass6e de corps tels que les huiles, les graisses, les acides gras et les sucres qui modifient les propri6tas de mouillage au cours de l'application de la r6sine sur les subjectiles. L'angle de raccordement 0 de l'adhesif avec la surface de contact croit avec son degr~ de propret6; cette propri6t6 est bien connue et favorise le mouillage.

II a 6t6 sugg6r6 par plusieurs auteurs, et en particulier par Venzel [20], que les propri6t6s de mouillage d'une surface solide doivent ~tre directement propor- tionnelles/~ la rugosit6 de la surface [9].

Si l'on veut montrer que 0 est directement propor- tionnel/t la rugosit6 (R), il faut mesurer cette derni6re avec pr6cision dans un syst6me bien d6fini et repro- ductible.

Les techniques utilis6es [5] nous permettent de mesurer et de reproduire avec une grande pr6cision des 6tats de surface obtenus avec des proc6d6s d'usi- nage rigoureusement d6finis.

Nous utilisons les conventions pr6cis6es par les normes tr6s r6centes (1972) N F E05-015, NF E05-016, NFE05-017 issues de longs travaux ([5], [21], [22], [23]).

La norme NF E05-015 d6finit dix huits crit6res donnant le maximum de possibilit6s de choix/~ l'Indus- trie et /t la Recherche. Tous ces crit&es caractdrisent les 6carts g6om6triques des profils obtenus par pal- pages rectilignes ou curvilignes.

<~ Dans l'6tat actueI de la technique, aucun crit6re ne suffit, 5. lui seul,/t caract6riser un profil ~> (NF E05- 015). I1 appartient fi chaque utilisateur de choisir,

partir des ndcessit6s fonctionnetles des surfaces, le ou les crit6res /~ specifier.

2.1. Notion d'6tat de surface

Les travaux connus ([~] fi [15] )mont ren t que �9 - - la pr6paration des subjectiles comporte une s6rie

d'opdrations plus ou moins bien ddfinies mais cependant tr6s importantes;

-- la rugosit6 joue un r61e pr6pond6rant dans le d6veloppement de l'adh6sivit~. C'est un param6tre tr6s difficile /t d6finir et 5. mesurer, aussi les auteurs n'en parlent-ils que d'une mani&e tr& impr6cise;

~- la notion de reproductibilit6 d'un 6tat de surface est tr6s qualitative;

- - les chercheurs utilisent une terminologie diff6- rente pour d6signer les mames qualit6s ou d6fauts d'une m6me surface;

- - pour am61iorer les 6tats de surface E s, on utilise des proc6d6s chimiques et m6caniques, le plus souvent combin6s; et enfin, pour tout ce qui concerne les techniques de collage, l'application devance tr6s souvent la compr6hension thdorique qui permettrait de pr~voir avec plus de sfiret6 des ph6nom~nes encore ignor6s ([12], [14] fi [193).

428

2 .2 . l~laboration des plaques T

Plusieurs articles ([12], [15], [16], [24]) montrent que la r6partition des tensions dans le joint de colle est d~termin6e par le rapport entre l'~paisseur er des t61es T et la longueur de collage l ainsi que par les modules d'61asticit~ EA, Ej et ET des mat6riaux utilis6s (module de glissement pour la colle). Avec nos modules exp6rimentaux, ce sont les dimensions des subjectiles de l'fime A qui fixent l e t par consequent l'aire des subjectiles des t61es T. Les proc6d6s d'61aboration de ces derniers seront not6s selon les conventions de la Norme Fran~aise NF E05-016. Toutes les faces destinOes 5. recevoir des jauges de contrainte sont "usin6es /~ l'outiI-meule de pr6cision en rectifcation plane (rcp).

Notons que la rugosit6 ne repr6sente que les d6fauts du 3 e et du 4 e ordre. Les stries et les sill0ns constituent des d6fauts du 3 e ordre, les arrachements, les marques d'outil, Ies fentes et les piqfires sont du 4 ~ ordre. Les 6carts de forme et de position sont ceux du 1 er ordre. Dans cette classification, les d6fauts de structure cristalline et de r6seau cristallin se rattachent respec- tivement 5. ceux du 5 e et du 6 e ordre.

2 .3 . Technologic des 6tats de surface

La d6termination des profils d'6tat de surface est effectu6e avec un appareil Perthen [25] 6quip6 d'un palier h air L.C.A. [26] et de capteurs PHK [25] dont les courses sont +0,25, +0,50 et +500 ~tm.

Les donn6es sont rassembl6es sur bandes perfor6es ~t l'aide d'une perforatrice associ6e ~t un convertisseur digital (50 voies) et sont trait6es par la m6thode RNUR-ENSAM [5] sur un ordinateur IBM 1130 muni d'une imprimante et d'un traceur de courbes. Nous exp6rimentons la m6thode Nicolau-Solex [27], afin de juger si elle peut s'adapter, ult6rieurement, h un contr61e de fabrication industriel.

La comparaison des diff6rents essais permettra : - - de d6terminer le ou les param~tres actifs qui

favorisent l'adh6sivit6 sur les subjectiles; --d 'effectuer des regroupements avec d'autres

m6thodes d'analyse et d'observation que nous mettons au point parall~lement (microscopic optique et 61ectronique).

2 .4 . D6finition de l'6tat de surface E s

La d6finition de l'&at de surface est tr6s compliqu6e. Pour la suite de l'6tude, il est indispensable de connaitre les d6finitions ci-dessous :

E~ est une fonction comprenant 18 param6tres, telle que :

Es[AR, Aw, k~,R, kpW, (Lv) o (LR)o (L,.),. P., Pp, Pt, R, R~, R . . . . R e, Rt, (T~,)o (T,)c, (Tw)~,

W, Wa, W . . . . Wp, Wt] ;

et la rugosit6 (R) est une fonction de 6 param6tres telle que :

R JR, R., Rmax' Rp, Rt, (TR)~ ] ,

les symboles repr6sentant, suivant les notations de la norme NF E05-015 :

AR : pas moyen, ou longueur d'onde moyenne, ou fr6quence moyenne de rugosit6;

Aw : pas moyen, ou longueur d'onde moyenne, ou fr6quence moyenne d'ondulation;

kvR : coefficient d'+videment relatif/t la rugosit6; kpW : coefficient d'6videment relatif h l'ondulation; (Lv) c : longueur portante du profil total pour une

profondeur de coupe 6gale ~. c; (LR)c : longueur portante de la rugosit6, pour une

profondeur de coupe 6gale ~. c; (Lw)c : longueur portante de l'ondulation, pour une

profondeur de coupe 6gale ~_ c; P~ : 6cart moyen arithm6tique, par rapport h la

ligne moyenne, du profil total; Pv : profondeur d'aplanissement du profil total; Pt : profondeur totale, ou ~cart total, du profil

total:

R :

Ro :

Rma• :

Re : R t .:

(Te)~ :

(T~)~ :

(Tw)c :

W :

w o :

Wma x :

W v : w , :

Y. GILIBERT, C. COLLOT

profondeur moyenne ou amplitude moyenne de la rugosit6; 6cart moyen arithmetique, par rapport h la ligne moyenne, de la rugosit6; profondeur maximale, ou amplitude maximale, de la rugosit6; profondeur d'aplanissement de la rugosit6; profondeur totale, ou 6cart total, de la rugosit6; pourcentage portant du profil total, pour une profondeur de coupe 6gale h c; pourcentage portant de la rugosit6, pour une profondeur de coupe 6gale h c; pourcentage portant de l'ondulation, pour une profondeur de coupe 6gale ~ c; profondeur moyenne, ou amplitude moyenne, de l'ondulation; 6cart moyen arithmatique, par rapport h la ligne moyenne, de l'ondulation; profondeur maximale, ou amplitude maxi- male, de l'ondulation; profondeur d'aplanissement de l'ondulation; profondeur totale, ou 6cart total, de Fondu- lation.

2 .5 . Les 6tats de surface des subjectiles 6tudi6s dans ce travail

Nous avons caract~ris~ l'~tat de surface par 3 moyens diff~rents :

- - photographic de l'6tat de surface; - - relev6 des profils d'6tat de surface avec un appa-

reil Perthen; - - d~termination des crit~res d'~tat de surface par

la m~thode RNUR-ENSAM [1].

2.5.1. L'.~ME A

Toutes les "~mes prhsentent un 6tat de surface (F.S.A.) identique. Les subjectiles, apr4s fraisage, sont sables

l'aide de particules de granulom4trie calibrde (Mesh C 90).

Le fraisage a 6t6 exhcut6 darts les conditions suivantes : - -vi tesse de rotation de l'outil : 300 tours/ran; -- avance : 100 ram/ran (6bauche) et 50 ram/ran

(finition). La figure 4 repr4sente un relev6 du profil de l'6tat

de surface (F.S.A.).

2.5.2. LES TOLES T

Nous avons choisi trois 6tats de surface diff6rents, correspondant ~. trois modes d'glaboration distincts.

2.5.2.1. Les t~les rectifides fines (R.F.)

-- Pr6paration des 6bauches. Nous avons utilis6 un 6tau limeur 6quip6 d'un outil

~t charioter (vitesse : 20 m.mn-1, avance : 0,2 ram, c = 4 ram). Notons que les conditions d'gbauche sont identiques pour les trois 6tats de surface 6tudi6s.

429

V O L . 8 - N ~ 4 8 - M A T I ~ R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

430

TABLEAU I

Y. GILIBERT, C. COLLOT

(R.F.)

(R.G.)

(R.G.S.)

(R.G.) - (R.F.)

(R.G.S.) - (R.F.)

(R.G.S.) - (R.G.)

R : Rugosit6

R t R Rma x A R Rp R a

1,44 0,76 1,44 150,0 0,36 0,19

16,53 9,17 16,53 145,0 4,33 2,64

17,60 9,98 17,60 145,0 4,50 2,87

15,09 8,41 15,09 - 5 3,97 2,45

16,16 9,22 16,16 - 5 4,14 2,68

1,07 0,81 1,07 0 0,17 0,23

W : Ondulation

W t W Wma x A w Wp W a

0,59 0,21 0,40 450,0 0,25 0,09

10,25 5,78 10,25 1085,0 4,39 1,06

9,89 8,56 9,89 1375,0 4,88 2,14

9,66 5,57 9,85 635 4,14 0,97

9",30 8,35 9,49 9"25 4,63 2,05

-0,36 2,78 -0,36 290 0,49 1,08

P : Profil total

Pt Pp Pa

1,51 0,58 0,19

20,65 7,54 2,95

22,22 8,75 3,42

19,14 6,96 2,76

20,71 8,17 3,23

1 , 5 7 1 , 2 1 0,47

Les nombres sont exprimas en microm6tres.

R.F RGGOSITE ONDULATICN RROF!L TDTAL ~I 2C ~ 01

LCART TOTAL ~.~ uRCF~N~EUR MCyf%N~ 0.76

PA3 150.0 ~R3F. D'APLA~IS~E~/T 0,96 ECART ~'OY. A~ITH~ETICUE 0,19

0.59 1,51 0,2. Qo~G

a5C.2

0.~9 2.19

A~D= 5G,0

P ~ F | L TOTAL

0 ',tDUL ~, T I 0%

RUC~OS i Z

;~ROF1E5 3"~TEZ a C~.~.T ALT3~C}RRE~A[I t ;~

~ o l 2o o o l 1

"6 ^A, I j ~ kY"

Fig. 5. - - Les crit6res de l'6tat de surface (F.S.).

431

V O L . 8 - N ~ 4 8 - M A T I ~ R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

R.G. ~ ONDULATION PRCFIL TOTAL

ECAR[ TOIAL I~ .53 I0.2) 20.65 "RCFON~FwR ~wOYF\%5 9,17 5.78 ~CF~N~FUi~ VAXIVALE 1~,53 i 0 . 2 5 ~AS 1~5.~ ~0~5.0 P~CF. P~APLA~ISS~ r ~,33 ~,39 7,5~ ECA~" *~nv. A ~ - v ~ T I Q J C 2 .6~ 1.05" 2,95

91 20 d 02 1

~RD~ 75,C NONagE ~'ITffRATIONS ~ I

,'];,;T%: ~. AT[C% ~

2r

~OFIkS PCPTEE P CENT AUTCCORRELATICN

t1" W [~

to; Fig. 6. -- Les crit~res de 1'6tat de surface (R.G.).

- - Conditions de finition.

Nous avons ensuite effectu6 une rectification plane A l'aide d'une meule Norton du type 38 A100 H8 VG tournant h 2 800 tours/mn (avance 1,5 mm, c = 0,02 mm, lubrifiant Cimcool).

La fgure 5 repr6sente l'ensemble des relev6s et mesures que nous avons effectu6s et qui permettent de contr61er la reproductibilit6 de l'6tat de surface.

2 .5 .2 .2 . Les tMes rectifi&s grossi&es (R.G.)

- - Conditions de fruition.

La rectification est effectu6e & l'aide d'une meule Norton PO 38 A46 H8 VBE tournant/t 2 800 tours/ran (avance 1,5 ram, c=0,02 ram, lubrifiant Cimcool).

Les caract6ristiques de (R.G.) apparaissent sur la figure 6.

2 .5 .2 .3 . Les roles rectifi&s sabl&s (R.G.S.)

Aprbs avoir r6alis6 une rectification grossi6re (R.G.), les subjectiles sont sabl6s dans les m6mes conditions que l'fime A.

Les profils d'6tat de surface sont relev6s avant et apr6s sablage. Nous avons mis au point un proc6d6 qui permet, fi l'aide de deux coups de pointeau, de suivre une trajectoire t6moin.

432

Les caract6ristiques de telles t61es sont rassembl6es sur la figure 7. Le tableau I met en 6vidence les valeurs de la rugosit6, de l'ondulation et du profil total pour les diff6rents types d'6prouvettes.

2 . 6 . C o n c l u s i o n s

Les crit6res ci-dessus caract6risent avec une grande pr6cision les trois 6tats de surface 6tudi6s.

2.6.1. LA TRANSFORMATION PAR SABLAGE DE (R.G.) EN (R.G,S.)

- - Le sablage ne fait pas varier la longueur d'onde moyenne du pas moyen AR de la rugosit6

(AR)R.G. =(AR)R.G.S. = 145 pro.

- - I1 modifie la profondeur totale R t de la rugosit6

( R t ) R . G . S . - - ( R t ) R . G . = 1,07 gm = 10 700 A..

- - I1 diminue les profondeurs totales Wt et maxi- males Wma x de l'ondulation, de la marne quantit6

Z] Wma x = z~ W t = ( Wmax)R.G. -- ( Wmax)R. G.S. =(Wt)R.G.S = 10,25--9,89=0,36 lain=3 600 ~.

2.6.2. COMPARAISON DES TROIS I~TATS DE SURFACE :

R.F., R.G., R.G.S.

Quand on compare les rectifications fines, grossiares, puis grossiOres sablOes, les nombres qui caractOrisent les crit6res d'&at de surface [1], augmentent dans l'ordre (R.F.), (R.G.), (R.G.S.), sauf pour le pas moyen de la rugosit6 (AR), les profondeurs totale (W,) et maxi- male (Win, x) de l'ondulation. Le sablage d'un subjectile rectifi6 en XC 18 (R.G.) modifie la longueur d'onde moyenne W~ de l'ondulation,

(3 W R)R.G.S.-- (A W~)R.G. = 290 gin.

Les autres param6tres augmentent d'une valeur trOs faible et les 6carts restent compris entre 0,17 et 2,78 gin.

Ainsi, le sablage enl6ve de trOs petites quantit6s de mati6re et change l'aspect g6omOtrique du profil. Dans certaines conditions, il peut modifier, en marne temps l'6tat physicochimique de la surface.

3. MICROSTRUCTURE DES SURFACES REC- TIFII~ES [2]

3 .1 . Introduction

Les propri&~s fonctionnelles des subjectiles d6pen- dent ~t la lois de la structure microg6om&rique de la

Y. GILIBERT, C. COLLOT

couche extarieure du materiau et de la structure physico- chimique des couches superficielles sous-jacentes [2].

L'etat physicochimique des couches superficielles des subjectiles d~pend des conditions de traitements m~canique et thermique. La rectification produit un 6crouissage de la couche superficielle, dont les pro- pridtas sont diff6rentes de celles de la matrice [2].

3 .2 . Les couches limites d'une surface rectifi6e

Diff6rents auteurs [2] signalent que l'examen de la coupe d'une pi6ce rectifi6e r6v61e, depuis la p6riph6rie jusqu'/t la zone non affect6e, une succession de couches tr6s diff6rentes quant /~ leur nature, leur 6paisseur et leurs propri6t6s.

3.2.1. COUCHE LIMITE EXTI~RIEURE

La couche limite ext6rieure est constitu6e tout d'abord d'atomes ou de moldcules gazeux adsorb6s 2 '5. 3/k, puis d'une zone d'oxydes, d'hydroxydes d'6pais- seur variable, de nitrures, etc.

3 . 2 . 2 . COUCHI~ LIMITE INTI~RIEURE'

Cette couche a une 6paisseur de I0 / t 100 A et elle porte le nom de couche de Beilby. Sa structure est diff6rente de celle des couches sous-jacentes et elle

Fig. 7. - - Les erit6res de I'6tat de surface (R.G.S.).

R RUGO51 E ,O.5 ' T

EClaT ~OIA~ t7,6Q

PRC~L~DEU~ ~A• tT ,6~

OND~LATION P~OF[L TOTAL

22J22

01 30 o 03 i

aROF t t "5 PORTEE ~ CENT &U TOCOR~gL A T I ON

2('vL" AU ~E~ CRD~

~h~U'L A T ~C~

433

V O L . 8 - N ~ 4 8 - M A T I ~ R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

I i

Fig. 8. - - Micrographies optiques effeetu6es suivant un plan perpendiculaire fi la surface d'une tfle du type (R.F.) et (R.G.S.).

Cependant, les examens au microscope optique que nous avons effectu6s (fly. 8) ne mettent pas en 6vidence de couche superficielle significative dont la structure serait diffdrente de celle de la matrice. Les riots de perlite, notamment, qui apparaissent sous la forme d'amas sombres, d6bouchent /t la surface des t61es.

Nos conditions d'usinage (profondeur de passe tr6s faible) et de lubrification sont choisies de mani6re/t ne produire qu'un 16ger 6crouissage en surface. Nos moyens d'observation ne sont pas suffisamment puis- sants pour ddceler la pr6sence d'une couche de Beilby.

Nous avons effectu6 quelques essais de duret6 Vickers (Charge 40 kgf) et de microduret6/t l'aide d'un appareil Leitz sous une charge de 200 gf, afin de mettre en 6vidence un durcissement superficiel pour chaque 6tat de surface.

La duret6 de l'acier XC 18 normalis6 est de 150 Vickers. Seulement dans le cas d'une rectification fine, les essais de microduret6 mettent en 6vidence un durcissement superficiel : Hv=190 Vickers. Les empreintes deviennent bien stir illisibles pour les autres 6tats de surface.

Nous avons not6 pr6c4demment que le sablage apr6s rectification modifie la structure microg6om6- trique des subjectiles et en particulier la rugosit6 [R~JR.G.S._[R,],.G.=I,07,1 gm. Les arrachements de mati&e correspondants dhtruisent partiellement ou totalement les couches de structure diffdrente de celle de la matrice. Les subjectiles ainsi sablhs deviennent physiquement et sans doute chimiquement distincts de ceux obtenus par rectification. Par cons6quent, les liens entre la colle et l'acier peuvent ~tre diffhrents.

Nous montrons qu'en effectuant des sablages iden- tiques sur les t61es constituant les diff6rentes 6prouvettes, nous obtenons des forces de rupture peu dispers6es.

4. RI~SULTATS EXPI~RIMENTAUX

influence certainement les ph6nom6nes connexe s d'oxy- dation, de corrosion, de passivation, d'adsorption et de lubrification.

3.2.3. COUCHE SOUS-JACENTE STRUCTURALEMENT MODIFIEE

En plus des d6formations plastiques, il se produit 6galement des changements de phase, donc de structure, dans une zone situ6e au-del~i de la couche de Beilby et dont l'6paisseur peut atteindre plusieurs dixi6mes de millim6tre. Ces transformations microstructurales provoquent, en particulier, une modifcation profonde de la r6partition des contraintes r6siduelles en surface [2] et elles agissent ainsi directement sur les propri6t6s d'usinage des pi6ces.

3.2.4. CONCLUSIONS

Quel que soit l'6tat initial de l'acier rectifi6, il pourrait se former en surface, par suite d'une 616vation impor- tante de la temp6rature, une couche tr6s dure (ou couche blanche) qui serait de nature martensitique.

434

4.1. Essais de cisaillement par traction

Nous rapportons (tableau II) les r6sultats obtenus avec 6 6prouvettes du type (R.F.), 7 du type (R.G.) et 9 du type (R.G.S.) :

- - z,, d6signe la contrainte moyenne de cisaillement; -- F, la force moyenne de rupture; -- s e t v, l'6cart type et le coefficient de variation

pour la force de rupture.

4.2. Examen visuel des Smes et des t61es apr6s rupture

Lorsque leg t61es sont rectifi6es fines (R.F.) ou grossi6res (R.G3, le film de colle reste sur l'gtme, nous observons une rupture d'adh6rence ~ l'interface colle- acier. La rupture la plus nette est observ6e pour l'6tat (R.F.).

Dans le cas des t61es sabl6es (R.G.S.), le joint de colle est cisaill4 pr6f6rentiellement en raison d'un meilleur ancrage de la r6sine sur les subjectiles, et par consdquent d'une meilleure transmission de la contrainte.

E t a t de N ~ su r f ace E .P .R.

2

6 t~

. ~ . 8

~ 13

14

17

1

10

o=~. ' 11

~= 18

~ 22

23

3

-~ . 5

7

N ~ . 9 or , / l

~.q 12 . ~ ~ 16

~ 19

~ 24

25

T A B L E A U II

n

2 7 3 0 Tm = 1 0 3 , 2 d a N . c m ~

2 4 0 0

1 0 5 0 6 F = 1 8 2 8 d a N

2 1 0 0 s = 4 7 0 d a N

2 0 0 0 v = 0 , 2 5 7

6 9 0

1 9 0 0 ~ m : 112 ,4 d a N . c m -2

2 0 0 0

2 0 5 0 F = 1 9 7 9 d a N

2 1 0 0 7 s = 106 daN

1 9 0 0 v = 0 , 0 5 4

2 1 0 0

1 8 0 0

2 7 5 0 Tm = 157 d a N . c m "2

2 8 0 0

2 7 5 0

2 7 5 0

: 2 7 7 9 d a N 2 7 8 0

9 s = 60 ,81 daN

2 6 8 0 v = 0 , 0 2 2

2 9 0 0

2 8 5 0

2 7 5 0

Y. GILIBERT, C. COLLOT

, I 0 t'*,

Fig. 9. - - Micros tructure de r a c i e r X C 18.

4 .4 . Examen des interfaces colle-aeier au microscope optique et au microscope ~ balayage

La micrographie (Jig. 9) montre la structure micro- graphique de l'acier utilis6; des riots de perlite sont noy6s dans les grains de ferrite.

La micrographie (fig. 10) effectu+e /t fort grossisse- ment, met en 6vidence l'interface colle-acier dans le

4 .3 . Conclusions

Ces r6sultats montrent que : - - les subjectiles (R.F.) poss6dent une affinit6 tr6s

mauvaise pour l'Eponal 317. La dispersion des r6sultats est tr6s grande puisque l'6cart type (s) et le coefficient de variation (v) ont pour valeurs respectives 470 daN et 0,257;

- - les subjectiles (R.G.) ne donnent pas une force moyenne de rupture beaucoup plus grande (1979 daN au lieu de 1 828 daN), mais les r6sultats ne sont pas tr6s dispers6s puisque s= 106 daN et v = 0,054;

- - e n f i n , les 6prouvettes du type (R.G.S.) sont identiquement r6sistantes. Les faibles valeurs de l'6cart type et du coefficient de variation (s=60,81 daN, v=0,022) en font un mod61e int6ressant qui permettra d'6tudier avec prdcision l'adh6sion colle-acier : �9 soit pour une r6sine de nature bien d6termin6e, �9 soit pour un 6tat de surface bien d6fini.

N0tons que l'6tat (R.G.S.) conf6re au mod61e exp6- rimental la plus grande r6sistance ~,,= 157 daN.cm -2 au lieu de 103,2daN.cm -2 pour l'6tat (R.F.) et l l 2 ,4daN.cm -2 pour l'6tat (R.G.).

Fig. 10. - - Micrograph ie optique effectu6e sur une co l le -ac ier du type (R.G. ) apr6s rupture.

interface

435

V O L . 8 - N ~ 4 8 - M A T I ~ R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

S U M M A R Y

q m r n

Fig. 11. - - Micrographie 61ectronique effectu6e sur la surface de rupture du joint de coile pour une t61e du type (R.G.S.).

cas d 'une t61e rectifi6e grossi6re non sablde. La colle p6natre dans toutes les asp&it6s de la surface m6tal- lique. Apr6s rupture, des fissures sont observ6es dans des zones situ6es tr6s pr6s de l'interface.

La figure 11 repr6sente la surface de rupture d 'une 6prouvette dont les t61es sont dans l'6tat (R.G.S.). Le joint de rdsine est cisaill6 pr6fdrentiellement. Sur la pat t ie droite de la micrographie, il apparai t un film de colle uniforrne qui recouvre toute la surface m6tal- lique.

C O N C L U S I O N

Nous avons d6fini, dans cette 6tude, un dispositif expdrimental qui permet d'effectuer des essais de cisaillement en traction sur des assemblages d 'acier co116.

Nous avons montr6 que : - - l a reproductibilit6 des subjectiles est assur6e

par la normalisat ion du proc6d6 d'61aboration de leur 6tat de surface;

- - la m6thode R N U R - E N S A M permet de contr61er avec une grande pr6cision la r6gularit6 des 6tats de surface finalement obtenue;

- - la qualit6 d 'un collage d6pend des propri6t6s microg6om6triques des subjectiles;

- - le sablage des ~ubjectiles de l '6prouvette assure la meilleure r6sistance au cisaillement et une tr6s bonne reproductibilit6 des mesures.

L'6tat de surface (R.G.S.) fait du mod6le exp6rimental un ins t rument int6ressant qui perrnet d'6tudier avec pr6cision l 'adh6sion colle-acier :

- - soit pour une r6sine de nature bien d6termin6e; - - soit pour un 6tat de surface bien d6fini.

Enfin, les microscopies ont permis de mont re r que : - - l 'Eponal 317, bien qu'6tant tr6s visqueuse, remplit

bien les d6fauts microg6om6triques des subjec- tiles, qu'ils soient cr66s par rectification fine ou grossi6re ou par sablage;

- - pour l'6tat de surface (R.G.S.) la rupture s 'amorce prdf6rentiellement dans la colle.

436

Further research on adhesive-steel adhesiveness accord- ing to the micro-geometr ica l state o f levelled and sand- blasted surfaces. - - A test piece characterized by double symmetrical overlapping and designed by the authors is used under tensile loadin 9 to carry out research on the adhesiveness bond strength between adhesive and and steel, depending on the state of the substrates. Several methods are used to determine the surface state, parti- cularly the R N U R - E N S A M method.

This paper demonstrates that: - - identical sand-blasting carried out on surfaces of

similar nature ensure good reproducibility in the measurement of shear strength;

- - the quality of an adhesive bond depends on the micro-geometrical properties of the substrates;

- - w i t h the experimental method described, it is possible to determine with accuracy the mechanical properties of an adhesive using a limited number of tests.

The fact that there is only slight Scattering in results obtained with sand-blasted substrates should facilitate successfid research into the time-dependent mechanical properties of the material, that is the danger of ageing.

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[26] LCA. - - Labora to i re Centra l de l 'Armement , 16 bis, avenue Prieur-de- la-C6te-d 'Or, 94110 Arcueil.

[27] N I C O L A U - S O L E X . - - Commercial is6 par : Soci~t6 d 'Appl ica t ion de M6trologie Industrielle, 21, bou- levard de la Paix, 92400 Courbevoie.

437