Roulé après traitement thermique : l’un de ces chiffres est négatif

L’essai, et ce que « précharge » y voulait dire

Stephens et ses coauteurs ont comparé des vis roulées avant traitement thermique (RBHT) à des vis roulées après (RAHT) à cinq niveaux de précharge, en établissant des courbes de Wöhler pour chacun. C’est ce plan d’essai qui rend l’étude intéressante : la plupart des comparaisons en fatigue choisissent une contrainte moyenne et s’arrêtent là.

Le tableau d’où vient l’argument commercial

Avant d’agir là-dessus : les réserves sont réelles

C’est cette partie qui décide si vous pouvez utiliser le tableau, c’est pourquoi elle n’est pas reléguée à la fin.

• Le groupe à pas gros comportait des facteurs de confusion. Molettes de roulage différentes, rayons à fond de filet différant de 5–15 %, contraintes résiduelles anormales et repliures de filet dans les éprouvettes RAHT à pas gros. Une partie du résultat à pas gros peut tenir à la fabrication, et non à l’ordre des opérations
• L’écart entre pas fin et pas gros à 1 % n’est pas démontré comme significatif. +158 % contre +147 % n’ont jamais été soumis à un test d’hypothèse
• Les ordres de grandeur ne sont pas universels. Une étude ultérieure sur des vis M8 de classe 10.9 n’a trouvé qu’environ 9 % d’amélioration RAHT à R ≈ 0.8
• Les valeurs publiées diffèrent selon la version. Les résumés SAE et JAI donnent « 69 à 30 % » ; le tableau ultérieur de l’ASTM STP donne 67 %, 50 % et 40 % aux niveaux nominaux 50, 75 et 90 %. Il faut y voir un arrondi ou une révision de l’analyse, pas une fausse précision

Ce qui résiste à tout cela, c’est la forme plutôt que les chiffres : l’avantage RAHT est maximal presque sans précharge et diminue quand la précharge augmente, et les auteurs l’énoncent comme un résultat au lieu de le laisser déduire.

Les valeurs de contraintes résiduelles sont plus mal citées que fausses

Le RAHT agit en écrouissant le fond de filet après le durcissement du matériau, ce qui laisse une contrainte résiduelle de compression là où les fissures de fatigue s’amorceraient autrement. Les chiffres qui circulent sont de vraies mesures — de grandeurs que l’on décrit ensuite de façon approximative.

L’étuvage, pas le revêtement

Une étude est souvent résumée par « le traitement de surface annule le gain RAHT ». Ce résumé est faux d’une manière qui mérite correction, parce qu’il désigne le mauvais élément sur votre plan.

Ce que les normes vous donnent et ne vous donnent pas

• L’ISO 898-1 n’exige pas le RAHT et, plus utile encore, elle ne spécifie explicitement aucune résistance à la fatigue. Une classe de qualité élevée n’achète pas de performance en fatigue — c’est une exigence distincte qu’il vous faut formuler
• Elle reconnaît que le roulage du filetage après traitement thermique peut augmenter la dureté superficielle, mais ne prescrit pas l’ordre de fabrication
• L’aéronautique n’est pas non plus une règle générale. Les normes de profil de filetage comme AS8879 définissent la géométrie ; c’est la spécification d’achat ou de produit qui impose le procédé
• Il n’existe pas de plafond universel de dimension ou de dureté. Le roulage courant se situe vers 32 HRC ; des molettes et procédés aéronautiques spécialisés roulent environ 38–40 HRC et au-delà. Diamètre, pas, ductilité, matériau des molettes, effort de roulage et durée de vie acceptable de l’outil entrent tous en jeu
• Le surcoût de 20–40 % est une estimation du secteur, énoncée dans l’article ASTM et répétée depuis. Nous n’avons pas trouvé derrière elle de jeu de données de coûts indépendant des fournisseurs

Alors, quand vaut-il la peine de le spécifier ?

1. Quand l’assemblage est critique en fatigue et faiblement préchargé. C’est là que le gain mesuré est le plus grand, et c’est un vrai cas de conception — tous les assemblages ne sont pas serrés fort.
2. Pas comme amélioration générale d’un assemblage bien préchargé, et surtout pas sur filetage à pas gros, pour lequel cette étude n’a trouvé aucun avantage fiable à la précharge de service.
3. Demandez ce qui se passe après le roulage. Si les pièces sont revêtues par électrolyse puis étuvées, ou si un revêtement est cuit, la contrainte résiduelle que vous achetez subit cette chaleur. Obtenez l’ordre des opérations et les températures, pas seulement le nom du procédé.
4. Formulez la fatigue comme une exigence si vous en avez besoin, car la classe de qualité ne la porte pas. L’ISO 898-1 le dit elle-même.
5. Réglez d’abord la question de la précharge. Le comportement en fatigue est ici dominé par la contrainte moyenne ; le diagramme de l’assemblage et la façon dont votre méthode maîtrise la précharge comptent davantage que l’ordre de roulage pour la plupart des assemblages.

La question préalable — roulé ou taillé, tout simplement — est traitée dans roulé ou taillé.

Références

• R. I. Stephens, N. J. Bradley, N. J. Horn, J. J. Gradman, J. M. Arkema et C. S. Borgwardt, ‘Fatigue of High Strength Bolts Rolled Before or After Heat Treatment with Five Different Preload Levels’, SAE Technical Paper 2005-01-1321, 2005, DOI 10.4271/2005-01-1321
• N. J. Bradley et coauteurs, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Fine Thread Bolts for Multiple Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(4), 2006, JAI13069, DOI 10.1520/JAI13069
• R. I. Stephens et coauteurs, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Coarse Thread Bolts for Multiple Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(3), 2006, JAI13075, DOI 10.1520/JAI13075
• N. J. Horn et R. I. Stephens, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on High Strength Bolts for Different Fatigue Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(1), 2006, JAI12551, DOI 10.1520/JAI12551
• Marcelo et coauteurs, 2011 — M8, classe 10.9, environ 9 % d’amélioration RAHT à R ≈ 0.8
• ISO 898-1 — caractéristiques mécaniques des éléments de fixation ; spécifie des classes de qualité et ne spécifie explicitement aucune résistance à la fatigue. AS8879 — géométrie du profil de filetage, pas une exigence de procédé

L’acceptation pour un assemblage donné relève de votre plan et de vos propres essais.

Cet article traite de l’étape 2 : filetage. L’ordre complet est support, filetage, tête, empreinte, finition et documentation. L’article anglais Specifying a screw explique pourquoi le modifier entraîne une reprise.

Questions fréquentes

Le roulage du filetage après traitement thermique vaut-il son prix ?

Cela dépend presque entièrement du niveau de précharge de l’assemblage. Dans l’étude à cinq précharges de Stephens et coauteurs, les vis RAHT à pas fin ont gagné 158 % de limite d’endurance à dix millions de cycles à 1 % de précharge, mais seulement environ 40 % à 90 % nominal. Les éprouvettes à pas gros ont gagné 8 % à 50 % nominal, moins 9 % à 75 % et 0 % à 90 %, soit aucun gain fiable aux précharges que les auteurs décrivent comme représentatives de la réalité.

Que signifie 1 % de précharge dans ces essais ?

C’est la contrainte axiale minimale appliquée, maintenue fixe, réglée à 1 % d’environ 1100 MPa, la contrainte d’épreuve moyenne des vis roulées avant traitement thermique. Le rapport de contraintes était inférieur à 0,05 : la vis subissait encore une traction cyclique mais pratiquement aucune précharge de montage. Citer le chiffre de 158 % sans ce contexte le dénaturerait pour quiconque conçoit un assemblage serré.

Pourquoi les pourcentages se rapportent-ils à l’autre groupe ?

Parce que l’étude a pris la contrainte d’épreuve moyenne RBHT comme référence commune pour toutes les éprouvettes. Les vis RAHT avaient une contrainte d’épreuve inférieure d’environ 10 % ; les niveaux nominaux de 1, 50, 75, 90 et 100 % correspondent donc à environ 1,1, 55, 83, 100 et 110 % de la contrainte d’épreuve propre aux vis RAHT. À 90 % nominal, les vis RAHT étaient déjà à peu près à leur propre contrainte d’épreuve.

Le revêtement électrolytique annule-t-il le gain du roulage après traitement thermique ?

C’est une erreur de lecture. L’étude généralement citée portait sur l’exposition thermique après roulage, du type associé à la cuisson des revêtements organométalliques et au dégazage thermique après dépôt électrolytique, et le mécanisme en cause est la relaxation thermique des contraintes résiduelles d’écrouissage. Elle ne prouve pas que la chimie du revêtement annule elle-même le gain, et c’est un mécanisme différent de la fragilisation par l’hydrogène, même si le même étuvage concerne les deux.

Une classe de qualité élevée signifie-t-elle une bonne tenue en fatigue ?

Non. L’ISO 898-1 spécifie des classes de caractéristiques mécaniques et physiques et ne spécifie explicitement aucune résistance à la fatigue. Si la fatigue compte pour votre assemblage, elle doit être formulée comme une exigence distincte ; ce sont l’ordre de fabrication, l’état du fond de filet et la précharge qui la déterminent, pas le numéro de la classe de qualité.