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Métallographie des fixations métalliques

En raison de leur géométrie complexe, les fixations métalliques telles que les boulons, les vis, les tiges et les rivets peuvent représenter un défi pour les métallographes les plus expérimentés. Dans cette note d’application, vous trouverez des méthodes et des techniques éprouvées pour préparer les fixations métalliques à des fins de tests métallographiques, y compris les tests de boulons.

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Fixation – un élément essentiel de nombreux composants industriels

Les fixations métalliques sont utilisées dans de nombreuses applications pour la fixation de pièces et de composants. Ces fixations sont souvent essentielles au bon maintien de la structure. Par conséquent, les fixations métalliques sont une cible très courante pour les tests métallographiques dans le cadre des processus et du contrôle qualité.

La métallographie peut être utilisée pour des vérifications ponctuelles des matières premières, le contrôle et la vérification du processus de production, l’analyse de défaut ou les tests de boulons. Les tests métallographiques réalisés sur les fixations métalliques vont de la vérification des dimensions à l’examen de la structure et à l’analyse quantitative.

Technologie de fixation

La technologie de fixation comprend une large gamme de fixations. Les fixations métalliques, comme les boulons, vis, tiges et rivets, peuvent être divisées en deux grands groupes.
  • Fixations filetées, comme les boulons, écrous et vis.
  • Fixations non filetées, comme les rivets et tiges.

Le choix de la solution de fixation et du matériau dépend des exigences de l’application, y compris la résistance, la torsion et les conditions environnementales. Matériaux et applications de fixation courants :

Matériel de fixation Applications courantes
Carbone et acier à faible teneur en carbone Solutions de fixation pour applications générales
Acier à haute résistance Construction et ingénierie mécanique
Acier inoxydable Solutions de fixation hautement résistantes à la corrosion
Nickel et cobalt Solutions de fixation pour les applications à haute température
Titane Industries aéronautique, médicale et agroalimentaire
Laiton et cuivre Rails décoratifs et garnitures

Rails décoratifs et garnitures

Le métallographe doit faire face à deux défis principaux lors de la préparation de fixations métalliques pour l’analyse métallographique.

Tronçonnage/coupe : La taille et la forme de la fixation métallique peuvent entraîner des difficultés lors du bridage de la fixation pour la coupe transversale.

Fixations
Fig. 1 : Tronçonnage de l’excédent de tête de vis avant le montage

Enrobage : Les fentes de retrait sur le filetage et la tête de la fixation métallique peuvent nuire à la netteté des bords et rendre le nettoyage des échantillons difficile.

Fixations
Fig. 2 : Filetage, salissure due aux fentes de retrait

Pour une description complète de la manière de surmonter ces défis, téléchargez la note d’application complète.

Production de fixations et technologie de fixation

Les fixations métalliques simples non filetées, telles que les broches et les tiges, sont l’une des plus anciennes technologies de fixation. Les rivets filetés, les vis et les boulons sont arrivés plus tard et ont d’abord été fabriqués à partir de métaux précieux.

L’un des plus grands développements dans la technologie des fixations a été l’arrivée de métaux ductiles capables de résister à la pression liée à la compression et au laminage. À ce stade, le formage à froid a été adopté pour la production de masse de fixations métalliques. Aujourd’hui, le formage sans copeaux (laminage) est largement utilisé, tantôt par compression à froid, tantôt par compression à chaud.

Formage à froid de fixations métalliques
La compression à froid est de loin la méthode la plus courante pour produire des fixations métalliques. Un câble continu est introduit dans une presse à filer. Une matrice est ensuite utilisée pour comprimer le fil et réduire son diamètre, jusqu’à ce que la forme correcte soit formée. Les filetages sont formés par laminage à froid. Dans certains cas, une trempe par induction est utilisée pour augmenter la dureté du support de la fixation métallique.

  • Pour les fixations en acier de haute qualité, différents traitements thermiques sont utilisés pour obtenir des propriétés spécifiques du matériau.
  • Les aciers à faible teneur en carbone sont carburés pour créer un support dur avec un centre souple et ductile.
  • Les aciers au carbone sont durcis et trempés.
  • Des vis de construction de très haute qualité peuvent être usinées après formage initial pour obtenir des formes, des tolérances et des supports spécifiques.

Formage à chaud de fixations métalliques
Le formage à chaud peut toujours être utilisé pour des boulons métalliques de très grande taille ou de forme complexe.

Protection anticorrosion des fixations métalliques
Pour une meilleure protection contre la corrosion, les fixations peuvent être enduites de manganèse, de zinc ou de phosphate de fer, puis huilées. Si une meilleure protection contre la corrosion est nécessaire, les fixations métalliques peuvent être galvanisées avec un placage au zinc et au cadmium ou au chrome, ou un dépôt en phase vapeur recouvert de cadmium et d’aluminium.

En savoir plus
Pour obtenir une description détaillée des différents processus et technologies impliqués dans la production de fixations métalliques, téléchargez la note d’application complète.

Fixations
Fig. 3 : La frappe à froid est une opération de base au cours de laquelle le fil machine rond est formé dans la forme requise, toujours à froid. L’opération doit conserver la continuité des grains pour garantir l’intégrité totale de la fixation métallique.

Fixations
Fig. 4 : Lors du laminage de filets, une découpe est laminée entre deux matrices plates avec des rainures parallèles précises. Tant à froid qu'à chaud, les filetages laminés sont résistants et lisses, et aucun matériau n’est gaspillé.

Recommandations pour le tronçonnage et l'enrobage de fixations métalliques

Le principal défi lors de la préparation des fixations métalliques pour les tests métallographiques, y compris les tests de boulons, est la géométrie. En raison de la saillie de la tête, il peut s’avérer difficile de brider une fixation en toute sécurité lors d’une coupe transversale. De plus, la tête et le filetage incurvé peuvent entraîner des fentes de retrait lors de l'enrobage. Ceci est particulièrement important sur les métaux revêtus, car le revêtement de la fixation ne peut pas être examiné correctement sans une bonne netteté des bords.

Vous trouverez ci-dessous quelques recommandations pour surmonter ces défis. Pour obtenir une description plus détaillée de la préparation des fixations métalliques pour l’analyse métallographique et les tests de boulons, téléchargez la note d’application complète.

Tronçonnage/coupe : Comment bien serrer les fixations métalliques
  • Pour les vis et boulons moyens ou fins, un support à filetage spécial peut être créé pour fixer la vis ou le boulon pendant la coupe.
  • Pour les vis, rivets et boulons plus petits, rognez la tête d’un côté afin que la fixation puisse être posée à plat. Après l'enrobage, prépolissez la fixation au centre.

Enrobage : Comment éviter les fentes de retrait dans les échantillons de fixation métallique
  • Pour l’enrobage à chaud, utilisez un enrobage par compression à chaud ou des résines contenant un matériau de remplissage dur, comme DuroFast, PolyFast ou LevoFast.
  • Pour l’enrobage à froid, utilisez des résines époxy comme Epofix, car elles présentent le moins de rétrécissement.
  • Avant l’enrobage, nettoyez soigneusement l’échantillon avec un agent dégraissant.
  • Les vis et boulons de très petite taille doivent être montés à l'aide d'un morceau de métal ou de plastique en guise de cale. Ensuite, prépolissez la fixation au centre.

En savoir plus sur le tronçonnage et l’enrobage
Fixations
Fig. 5 : Un support spécial pour vis et boulons filetés.

Recommandations pour le prépolissage et le polissage des fixations métalliques

Lors de la préparation des fixations pour les tests métallographiques, il peut être nécessaire de prépolir grossièrement l’échantillon jusqu’au centre. Cette opération peut être faite sur une machine de prépolissage automatique à l’aide d’une meule. La méthode de prépolissage et de polissage spécifique doit reposer sur le matériau de la fixation.

Au fil des années, Struers a mis au point des méthodes de préparation spécifiques pour un éventail de solutions de fixation, de matériaux et d'applications, y compris les tests de boulons. Dans la note d’application complète, vous trouverez des méthodes de préparation éprouvées étape par étape pour le prépolissage et le polissage des boulons en acier allié et des vis en laiton.

En savoir plus sur le prépolissage et le polissage
Fixations
Fig 6 : Test des boulons : À gauche, une fente dans la tête d’un boulon en acier au carbone causée par une soudure et à droite une section transversale de la soudure sur le boulon attaquée avec 3 % de Nital.

Fixations
* Valeur pour 6 échantillons enrobés, d'un diamètre de 30 mm Bridés dans un support.

Fixations

*Valeur pour 6 échantillons enrobés, d'un diamètre de 30 mm Bridés dans un support.

Attaque des fixations métalliques

Lors de la préparation de fixations métalliques pour l’analyse métallographique, la solution et la méthode d’attaque doivent être choisies en fonction du métal composant la fixation.

Interprétation des résultats

De nombreux défauts mécaniques, tels que des bavures, des fissures et des pliures, peuvent être détectés par inspection visuelle ou par des méthodes non destructrices. Cependant, la détermination de la profondeur d’un défaut peut nécessiter une préparation métallographique supplémentaire.
  • Les défauts microstructurels sont généralement causés par un traitement thermique, comme la surchauffe, le grossissement du grain ou la décarburation.
  • Les fractures sont souvent le résultat d’une exposition à long terme à des contraintes telles que la flexion, la déformation et le cyclage thermique.

Fixations
Fig. 7 : Limites de grains fondus causées par une surchauffe. Alliage à base de nickel, attaque avec Kalling modifié.

La matérialographie des fixations métalliques

Les fixations métalliques filetées et non filetées, telles que les tiges et les boulons, sont l’une des plus anciennes technologies de fixation. Les fixations métalliques sont encore largement utilisées aujourd’hui pour la fixation de pièces et de composants. Par conséquent, les tests des fixations et des boulons sont des procédures très courantes pour les métallographes.

Les tests métallographiques sont généralement utilisés pour vérifier les dommages mécaniques et thermiques causés pendant la production et le traitement thermique ultérieur.

Les principaux défis lors de la préparation des fixations pour les tests métallographiques sont dus à la géométrie. La forme de la tête peut rendre difficile le bridage de la fixation durant le processus de tronçonnage, tandis que les filetages peuvent entraîner des fentes de retrait lors de l’enrobage. Ces difficultés peuvent être surmontées grâce à l’utilisation de techniques et/ou d’outils de préparation spécifiques. Le choix de la méthode de prépolissage, de polissage et d’attaque doit reposer sur le matériau de la fixation.

Téléchargez la note d’application pour obtenir une description complète sur la manière de préparer des fixations et des boulons visant à effectuer des tests, comprenant une méthode de préparation étape par étape pour le prépolissage et le polissage des boulons en aciers alliés et des vis en laiton.

Fixations
Fig. 8 : Coupe du filetage illustrant la décarburation, avec attaque au nital à 5 %.

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Apprenez-en davantage sur d’autres matériaux

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Holger Schnarr

Toutes les images sont de Birgitte Nielsen, spécialiste applications, Danemark.