--- title: "Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement" description: "Découvrez comment l’acier, les inclusions, le traitement thermique, la lubrification et la contamination influencent la durée de vie en fatigue des…" canonical: https://steelequivalents.com/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement language: fr robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/steel-families/bearing-steels-and-rolling-contact-fatigue.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/skupiny-ocelí/ložiskové-oceli-a-kontaktní-únava-při-valení.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/stahlgruppen/wälzlagerstähle-und-wälzkontaktermüdung.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/familias-de-aceros/aceros-para-rodamientos-y-fatiga-por-contacto-de-rodadura.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/acélcsaládok/csapágyacélok-és-gördülőérintkezési-kifáradás.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-per-cuscinetti-e-fatica-da-contatto-volvente.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/staalgroepen/lagerstaal-en-rolcontactvermoeiing.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/grupy-stali/stale-łożyskowe-i-zmęczenie-kontaktowe-w-styku-tocznym.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/famílias-de-aço/aços-para-rolamentos-e-fadiga-de-contacto-por-rolamento.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/группы-сталей/подшипниковые-стали-и-контактная-усталость-при-качении.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/çelik-grupları/rulman-çelikleri-ve-yuvarlanmalı-temas-yorulması.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/钢材分类/轴承钢与滚动接触疲劳.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/鋼種の分類/軸受鋼と転がり接触疲労.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/مجموعات-الفولاذ/فولاذ-المحامل-والكلال-الناتج-عن-التلامس-المتدحرج.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/강종-계열/베어링강과-구름-접촉-피로.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/famílias-de-aços/aços-para-rolamentos-e-fadiga-por-contato-de-rolamento.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/स्टील-समूह/बियरिंग-इस्पात-और-रोलिंग-संपर्क-थकान.md content_hash: sha256:79b7bfdefdb6346c62d010826ac55bc6b51c550207974ff2e69fdb9c84ea3f20 generated: 2026-09-26 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement > Canonical URL: https://steelequivalents.com/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. Compare it to detect a real > content change; `generated` moves on every render and is not a change signal. ![Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement](/images/uploads/ba99b4eb-c848-44c8-af47-639b88e600ee/wiki-hero-a-polished-steel-bearing-with-an-inner-ring-outer-ring-rolling-elements-and-a-vi-1920x823.jpg) Familles d’aciers # Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement Découvrez comment l’acier, les inclusions, le traitement thermique, la lubrification et la contamination influencent la durée de vie en fatigue des roulements. ![Portrait d’Anders Bergström, journaliste de la sidérurgie](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg) **[Anders Bergström](/fr/actualites/auteur/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Familles d’aciers 60+ min de lecture Mis à jour 14 août 2026 Revu selon les preuves Sur cette pageSur cette page - [Ce à quoi les aciers pour roulements doivent résister](/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement#ce-à-quoi-les-aciers-pour-roulements-doivent-résister "Ce à quoi les aciers pour roulements doivent résister") - 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[Un Cadre Fondé sur les Normes pour Comparer les Aciers de Roulement](/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement#un-cadre-fondé-sur-les-normes-pour-comparer-les-aciers-de-roulement "Un Cadre Fondé sur les Normes pour Comparer les Aciers de Roulement") ## Ce à quoi les aciers pour roulements doivent résister ### Le contact de roulement plutôt que le simple frottement de glissement Une piste de roulement ne se contente pas de supporter une charge de compression stationnaire. Un élément roulant entre en contact puis en sort de manière répétée avec la bague intérieure, la bague extérieure ou les deux, tandis que la zone de contact traverse l’acier à chaque révolution. La charge est concentrée sur une petite surface incurvée ; la pression locale est donc élevée, même lorsque la charge appliquée extérieurement au roulement paraît modérée. Le contact est principalement élastique : la piste et l’élément roulant se déforment légèrement sous la charge, forment une zone de contact hertzienne, puis retrouvent leur forme lorsque le contact s’éloigne. Cette sollicitation élastique répétée distingue le fonctionnement en contact de roulement de l’usure par simple glissement. L’usure par glissement est principalement régie par le mouvement relatif à une interface, le frottement, l’adhésion, l’abrasion et l’élimination de matière en surface. Un roulement peut subir peu de glissement macroscopique et néanmoins connaître une défaillance par fatigue sous la surface visible. Un certain glissement se produit toutefois, notamment en raison du pivotement, de l’obliquité, de courbures différentielles ou d’une cinématique inadéquate, mais il se superpose au contact concentré répété au lieu de s’y substituer. La piste et l’élément roulant ne se répartissent pas non plus la charge uniformément. La géométrie du roulement, le jeu interne, le défaut d’alignement, la déformation des bagues et la direction de la charge déterminent quels éléments supportent les forces les plus élevées. L’analyse de la géométrie du contact et de la répartition de la charge présentée par SKF place donc le calcul des contraintes au même niveau que l’état du matériau et la lubrification. Un roulement nominalement identique peut développer des contraintes locales très différentes si le montage, la flexion de l’arbre, la déformation du logement ou la contamination modifient la répartition de la charge. #### Termes relatifs aux dommages Usure Enlèvement ou déplacement de matière par interaction entre surfaces. Déformation plastique Creux, bourrelets ou zones aplaties permanents formés lorsque la pression locale dépasse la résistance à la limite d’élasticité. Micropiqûres Petites piqûres de fatigue superficielle associées à la rugosité, à une pellicule de lubrifiant insuffisante et aux contraintes exercées sur les aspérités. Fatigue de contact de roulement Amorçage et propagation progressifs de fissures sous l’effet de contraintes de roulement répétées, souvent suivis d’un écaillage. Plusieurs termes désignant des endommagements ne doivent pas être considérés comme des synonymes. L’usure élimine ou déplace de la matière par interaction entre les surfaces. La déformation plastique produit des creux, des bourrelets ou des zones aplaties de manière permanente lorsque la pression de contact dépasse la résistance locale à la limite d’élasticité, souvent après le passage de débris dans le contact. Le micropitting consiste en de très petites piqûres de fatigue en surface, associées à la rugosité, à une insuffisance du film lubrifiant et aux contraintes locales exercées par les aspérités. La fatigue de contact de roulement correspond à l’amorçage et à la propagation progressifs de fissures sous l’effet de contraintes de roulement répétées ; elle peut débuter sous la surface et produire ultérieurement un écaillage de la piste. #### Note d’inspection Une piste polie ou apparemment intacte peut néanmoins contenir des fissures sous la surface, des inclusions ou des dommages microstructuraux. Un creux provoqué par une particule dure n’est donc pas le même phénomène qu’un écaillage de fatigue, même si ce creux peut devenir un concentrateur de contraintes et accélérer ce dernier. De même, une piste d’apparence polie peut encore contenir des dommages sous la surface. L’aspect de la surface, à lui seul, ne permet pas d’établir quelle durée de vie en fatigue subsiste. Selon NTN, l’acier pour roulements au chrome à haute teneur en carbone est un matériau standard pour les éléments roulants et les pistes. Une désignation courante est AISI 52100, qui correspond généralement à l’acier 100Cr6 dans la pratique européenne des [aciers pour roulements](/fr/catégories/aciers-pour-roulements "aciers pour roulements"). La désignation identifie une composition chimique et une catégorie de produit ; elle ne garantit pas une propreté inclusionnaire, une répartition des carbures, un traitement thermique, des contraintes résiduelles ou une durée de vie identiques. ### Contraintes sous la surface et fatigue du matériau ![Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement](/images/uploads/32528b02-2255-4251-bf4c-90c835651e26/wiki-inline-a-ball-rolling-across-a-steel-bearing-raceway-with-the-subsurface-shear-stress-z-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/32528b02-2255-4251-bf4c-90c835651e26/wiki-inline-a-ball-rolling-across-a-steel-bearing-raceway-with-the-subsurface-shear-stress-z-1920x1094.avif "Agrandir l'image — Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement")The highest cyclic shear stress commonly occurs below the raceway surface. Lorsqu’un contact élastique se déplace sur la piste, la contrainte de cisaillement maximale se situe généralement sous la surface, et non exactement à celle-ci. Chaque volume de matériau subit une succession de compressions, de cisaillements et d’inversions de contraintes lorsque l’élément roulant s’approche, passe au-dessus de lui, puis s’en éloigne. La répétition de ces sollicitations peut amorcer une fissure au niveau d’une inclusion non métallique, d’un amas de carbures, d’un pore, d’un défaut de surface ou d’une zone de microstructure défavorable. La fissure peut progresser vers la surface jusqu’à ce qu’un fragment se détache, produisant une écaille ou un écaillage. La dureté seule ne permet pas de prédire complètement la durée de vie en fatigue de contact de roulement. Strong evidence \[1\] \[1\] [**Bearing Steels**](https://ntrs.nasa.gov/citations/19870002560). NASA. NASA Technical Reports Server, 1987.C’est pourquoi la dureté, à elle seule, constitue un mauvais indicateur prédictif. Une dureté plus élevée peut améliorer la résistance à l’indentation plastique et contribuer à une capacité de charge élevée, mais elle ne décrit ni la taille ni l’espacement des inclusions, la morphologie des carbures, l’austénite résiduelle, la taille des anciens grains d’austénite, les contraintes résiduelles ou la ténacité disponible pour résister à la propagation des fissures. En 1987, la NASA a indiqué que la dureté de l’acier pour roulements, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures influencent tous la durée de vie en fatigue des éléments roulants. Ses résultats indiquent également que les procédés d’élaboration, notamment la fusion sous double vide, peuvent avoir une influence sur la durée de vie plus importante que la composition chimique seule. Principales architectures des aciers à roulements et rôles porteurs auxquels elles sont destinées. | Architecture de l’acier | Profil de dureté | État du cœur | Fonction de conception typique | |---|---|---|---| | Martensitique trempé à cœur | Dur dans toute la section de travail | Section principalement durcie | Forte résistance aux contraintes de contact répétées | | Bainitique trempé à cœur | Dur dans toute la section de travail | Structure de travail bainitique | Dureté, ténacité et stabilité dimensionnelle | | Trempé superficiellement | Couche superficielle dure | Cœur plus tendre et plus tenace | Résistance à la fatigue superficielle avec tolérance aux chocs | La revue de 2011, *Steels for bearings*, distingue les principales familles de matériaux entre les aciers martensitiques ou bainitiques trempés à cœur et les aciers cémentés, qui présentent une couche superficielle dure au-dessus d’un cœur plus doux. Ces architectures répartissent les contraintes différemment. Les aciers trempés à cœur offrent une dureté élevée dans toute la section active ; les aciers cémentés peuvent associer une surface résistante à la fatigue à un cœur plus tenace, capable de tolérer les contraintes sous la surface et les chocs. Aucune de ces configurations ne dispense d’une propreté et d’un traitement thermique appropriés. Le traitement consacré aux aciers pour roulements dans l’*ASM Handbook* de 2014 l’énonce directement : une fois qu’une microstructure appropriée a été obtenue, la propreté de l’acier et l’absence d’inclusions non métalliques nocives constituent le facteur unique le plus important pour atteindre une longue durée de vie en fatigue de contact de roulement. Une inclusion agit comme une discontinuité locale de rigidité et comme un concentrateur de contraintes. Son effet dépend de sa taille, de sa forme, de sa position, de son orientation et de sa distance par rapport à la zone de contrainte maximale. Deux composants fabriqués selon la même désignation de nuance peuvent donc présenter des durées de vie en fatigue différentes si leurs populations d’inclusions diffèrent. L’ASTM STP 1327 replace cette question dans le contexte technique plus large de la durée de vie des roulements, de la fatigue de contact de roulement, de la fabrication de l’acier, de la trempe à cœur, de la cémentation, des aciers pour l’aéronautique, des aciers résistants à la corrosion et de la modification des surfaces. La nuance du matériau est importante. Elle ne constitue pas le modèle complet de fatigue. ### Pourquoi un roulement est un système couplé matériau-lubrification La lubrification modifie les contraintes appliquées au contact. Un film élastohydrodynamique suffisamment épais sépare la plupart des aspérités opposées et répartit la charge sur une zone de contact effective plus étendue. Si le film devient trop mince en raison d’une faible viscosité, d’une température élevée, d’une alimentation insuffisante, de la rugosité de la surface ou d’une vitesse et d’une charge excessives, les interactions entre aspérités ajoutent du frottement et des contraintes locales. SKF considère donc la lubrification, la contamination, la géométrie du contact, la répartition de la charge et les concentrateurs de contraintes comme des éléments liés de l’évaluation de la fatigue, plutôt que comme des sujets de maintenance distincts. \[2\] \[2\] [**Effects of Water Contamination on Micropitting and Rolling Contact Fatigue of Bearing Steels**](https://www.osti.gov/biblio/2423201-effects-water-contamination-micropitting-rolling-contact-fatigue-bearing-steels). U.S. Department of Energy, Office of Scientific and Technical Information. OSTI, 2024. La contamination peut endommager le système de deux façons. Une particule dure peut indenter une piste et créer un défaut géométrique permanent qui interrompt répétitivement le contact. L’eau peut modifier le comportement du lubrifiant, favoriser la corrosion ou des phénomènes liés à l’hydrogène, et changer les conditions d’amorçage des fissures. Des travaux expérimentaux publiés par l’intermédiaire du U.S. Department of Energy en 2024 ont montré que l’eau dissoute ou libre augmentait le micropitting et la fissuration par fatigue de contact de roulement, et qu’elle était associée à la présence de matière blanchement attaquée aux interfaces des fissures. Un acier propre soumis à un mauvais contrôle de la lubrification ne fonctionne pas dans les conditions impliquées par sa spécification de matériau. Les calculs de durée de vie des roulements nécessitent également une définition statistique précise. La norme ISO 281:2007 spécifie des méthodes pour déterminer les capacités de charge dynamique et la durée nominale de vie des roulements fabriqués à partir d’un acier pour roulements trempé de haute qualité ; la norme BS ISO 281:2007 en constitue l’adoption britannique. Sa durée nominale de vie est associée à une fiabilité de 90 %. Schaeffler définit L10 comme le nombre de révolutions atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant l’apparition des premières indications de fatigue du matériau. JTEKT décrit également la capacité de charge dynamique nominale comme la capacité en fatigue de roulement et L10 comme la durée de vie à 90 % de fiabilité pour des roulements fabriqués à partir d’aciers pour roulements spécifiés ou de matériaux équivalents. Cette valeur ne signifie pas que chaque roulement fonctionnera jusqu’au même nombre de révolutions, et elle ne décrit pas non plus tous les modes de défaillance. Les calculs de durée de vie ajustée introduisent des facteurs liés à la lubrification, à la contamination, à la fiabilité et à la charge correspondant à la limite de fatigue. Les dommages aux joints, l’érosion électrique, les fausses empreintes de Brinell, la corrosion, les erreurs de montage et la surcharge peuvent mettre fin au fonctionnement avant l’apparition d’une fatigue classique sous la surface. Le fait essentiel pour l’ingénierie est donc le suivant : une désignation de nuance peut définir une catégorie de matériau de départ, mais elle ne peut pas, à elle seule, prédire la durée de vie en service. La fatigue de contact de roulement est la réponse d’un système couplé — élaboration de l’acier, microstructure, traitement thermique, géométrie, répartition de la charge, lubrification, contamination et historique de fonctionnement — évaluée au moyen d’une définition statistique de la durée de vie des roulements. ## Comment la norme ISO 281 définit la durée de vie des roulements ISO 281:2007 est une norme de calcul applicable aux roulements, et non une promesse selon laquelle un roulement donné fonctionnera pendant un nombre d’heures déterminé. Son adoption britannique, BS ISO 281:2007, joue le même rôle. La norme fournit des méthodes pour calculer les capacités de charge dynamique et la durée nominale des roulements fabriqués en acier trempé pour roulements de haute qualité ou en matériaux équivalents, dans des conditions de fonctionnement définies. #### Ne pas considérer L10 comme une échéance de service La durée nominale selon l’ISO 281 décrit une population statistique. La contamination, la défaillance de la lubrification, les dommages de montage, l’érosion électrique, la surcharge ou une inclusion peuvent provoquer la défaillance d’un roulement individuel plus tôt. Cette distinction est importante, car la durée de vie calculée est souvent présentée comme s’il s’agissait d’une garantie matérielle. Ce n’est pas le cas. Un roulement peut tomber en panne avant d’atteindre sa durée de vie calculée en raison d’une contamination, d’une lubrification insuffisante, de dommages de montage, d’une érosion électrique, d’un désalignement excessif, de variations de fabrication ou d’une inclusion devenant l’origine d’une fatigue. Il peut également fonctionner bien au-delà de la valeur calculée. ISO 281 décrit une population statistique, et non la durée de service certaine d’un ensemble constitué d’une bague et d’éléments roulants. Le calcul établit donc un lien entre la capacité du matériau, les sollicitations de contact et les conditions de fonctionnement. La propreté de l’acier, la microstructure, les contraintes résiduelles, l’austénite résiduelle, la morphologie des carbures et l’état de surface déterminent une partie de cette capacité ; la géométrie des contacts, la répartition de la charge, le film lubrifiant et les contaminants déterminent la fraction effectivement disponible en service. ### Capacité de charge dynamique et durée nominale de base Charge dynamique nominale de base **Charge dynamique nominale de base** Mesure calculée de la capacité d’un roulement à résister à la fatigue de contact de roulement dans les conditions définies par la méthode de calcul de la durée de vie ; il ne s’agit pas de la charge statique maximale. La capacité de charge dynamique de base, normalement désignée par **C**, est une mesure calculée de la résistance d’un roulement à la fatigue des contacts roulants. Elle ne correspond ni à la charge maximale que le roulement peut supporter sans déformation, ni à une simple valeur de résistance à la traction de l’acier. Dans le cadre de l’ISO, C est liée à la charge constante et à la direction constante qu’un groupe de roulements apparemment identiques peut supporter pendant une durée nominale de base d’un million de révolutions. Charge dynamique équivalente **Charge dynamique équivalente** Charge calculée, généralement désignée par P, qui combine les charges radiale et axiale pertinentes pour l’équation de durée de vie du roulement. La charge appliquée est convertie en une charge dynamique équivalente propre au roulement, généralement désignée par **P**, afin que les composantes radiale et axiale puissent être évaluées conjointement. Pour un roulement soumis principalement à la fatigue des contacts roulants, la relation de base de la durée nominale est couramment exprimée comme suit : L10=(CP)p où L10 est exprimée en millions de révolutions et où p dépend du type d’élément roulant : p=3 pour les roulements à billes et p=10/3 pour les roulements à rouleaux dans la relation de durée de vie standard. Les catalogues des fabricants appliquent les équations ISO, les facteurs de charge et la géométrie interne appropriés aux différents modèles de roulements. Exposant ou valeur de référence La relation de durée de vie de l’ISO utilise p = 3 pour les roulements à billes, p = 10/3 pour les roulements à rouleaux, et définit la charge dynamique nominale de base de référence à un million de révolutions. L’exposant rend la maîtrise de la charge particulièrement importante. Une augmentation modérée de la charge équivalente peut entraîner une réduction beaucoup plus importante de la durée de vie calculée, même si la composition chimique de l’acier et la dureté nominale n’ont pas changé. Inversement, une augmentation de la dureté n’entraîne pas automatiquement une augmentation correspondante de la durée de vie si un roulement contient des inclusions non métalliques nocives ou fonctionne avec un film lubrifiant endommagé. \[3\] \[3\] [**Bearing Steels**](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/16/chapter-abstract/246185/Bearing-Steels?redirectedFrom=fulltext). ASM International. ASM Handbook, 2014. C’est pourquoi l’acier pour roulements ne peut pas être évalué sur la seule base de sa dureté. L’édition 2014 de l’ASM Handbook identifie la propreté de l’acier et l’absence d’inclusions non métalliques nocives comme le facteur unique le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une durée de vie élevée en fatigue des contacts roulants. La revue de 2011 *Steels for bearings* distingue les principales familles de matériaux : les aciers martensitiques ou bainitiques trempés dans la masse, et les aciers durcis superficiellement, dotés d’une couche de surface dure au-dessus d’un cœur plus tendre. Ces deux conceptions peuvent fournir la résistance de contact requise, mais les inclusions et les défauts de fabrication peuvent néanmoins amorcer une fatigue sous-surface. En 1987, la NASA a indiqué que la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures influencent la durée de vie en fatigue des éléments roulants. Ses résultats montrent également pourquoi l’historique des procédés est important : des méthodes telles que la fusion sous double vide peuvent affecter les performances en fatigue plus fortement qu’une faible variation de la composition nominale de l’alliage. L’acier à haute teneur en carbone et en chrome pour roulements demeure un matériau standard pour les éléments roulants et les chemins de roulement, comme l’indique NTN, mais la désignation de l’alliage ne suffit pas, à elle seule, à établir la durée de vie d’un roulement fini. ### Signification de L10 et fiabilité de 90 % La durée nominale de base selon l’ISO 281 est associée à une fiabilité de 90 %. Strong evidence \[4\] \[4\] [**ISO 281:2007 Rolling bearings — Dynamic load ratings and rating life**](https://www.iso.org/standard/38102.html). International Organization for Standardization. International Standard, 2007.ISO 281 définit la durée nominale de base comme la durée associée à une **fiabilité de 90 %**. Cette durée est désignée par **L10**, bien que cette notation puisse induire en erreur les lecteurs qui interprètent « 10 » comme une limite de service de dix pour cent. Il ne s’agit pas d’une échéance de défaillance. **Signification de L10** Base de fiabilité 90 % Population Roulements apparemment identiques Événement Premières manifestations de la fatigue du matériau Interprétation 90 % atteignent ou dépassent L10 Schaeffler définit L10 comme le nombre de révolutions atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant l’apparition des premiers signes de fatigue du matériau. JTEKT lui attribue la même signification statistique et indique que sa capacité de charge dynamique de base représente la résistance à la fatigue des contacts roulants pour des roulements fabriqués à partir d’aciers pour roulements spécifiés ou de matériaux équivalents. Ainsi, dans une population testée selon les hypothèses du calcul, dix pour cent des roulements peuvent présenter les premiers signes de fatigue du matériau avant L10, tandis que 90 % atteignent ou dépassent cette valeur. L’expression « premiers signes » est également importante. L’événement correspond à l’apparition de la fatigue des contacts roulants, notamment au développement de fissures sous-surface ou à l’écaillage qui en résulte, et non nécessairement au grippage complet, à la rupture ou à la perte de toute capacité portante. Un roulement ayant atteint L10 n’est pas automatiquement inutilisable, et un roulement n’ayant pas atteint L10 n’est pas à l’abri d’une défaillance due à un autre mécanisme. L10 ne correspond pas non plus à la durée de vie moyenne. Les distributions de durée de vie des roulements sont dispersées ; la moyenne arithmétique peut donc être sensiblement supérieure à la durée de vie correspondant à une fiabilité de 90 % et être faussée par un petit nombre de roulements fonctionnant très longtemps. L10 est utilisée parce qu’elle fournit une mesure définie de la partie basse de la distribution, que les ingénieurs peuvent appliquer de manière cohérente. Les calculs de fiabilité supérieurs à 90 % nécessitent une correction distincte de fiabilité ; il ne faut pas les déduire en multipliant simplement L10 par un pourcentage choisi. La statistique suppose également une population de roulements apparemment identiques fonctionnant sous les conditions pertinentes de charge, de vitesse, de lubrification et de matériau. Les roulements produits en série ne sont jamais parfaitement identiques et les machines réelles maintiennent rarement des conditions constantes. La valeur calculée n’a donc de signification qu’accompagnée de ses hypothèses. ### Durée de vie de base et durée nominale ajustée La durée nominale de base utilise les conditions de référence de l’ISO et constitue principalement un calcul fondé sur la charge et la fatigue. La **durée nominale ajustée** étend ce calcul en prenant en compte les facteurs susceptibles d’augmenter ou de réduire la durée de vie en fatigue dans l’application réelle. ISO 281 inclut les effets de la fiabilité, de la lubrification, de la contamination et de la charge limite de fatigue. Ces influences ne sont pas interchangeables avec la dureté et ne peuvent pas être représentées de manière fiable par un facteur de correction universel dépourvu de justification. La lubrification influence la séparation entre les aspérités en contact et, par conséquent, l’intensité des concentrations locales de contraintes. Un film élastohydrodynamique suffisant peut réduire les interactions de surface dommageables ; un film mince ou dégradé peut favoriser la micropiqûration et accélérer l’amorçage des fissures. La contamination introduit des indentations et des concentrateurs de contraintes, tandis que l’eau peut modifier à la fois le lubrifiant et la surface de l’acier. Un rapport du U.S. Department of Energy publié en 2024 a constaté que l’eau dissoute ou libre augmentait la micropiqûration et la fissuration due à la fatigue des contacts roulants, et qu’elle était associée à la présence de matière blanchement attaquée aux interfaces des fissures. La correction liée à la contamination dépend également du type, de la taille, de la concentration et de la répartition des particules, ainsi que de la taille du roulement et des conditions de contact. Elle ne peut pas être réduite à l’affirmation qu’un roulement est « propre » au seul motif que son acier respecte une spécification de matériau. La propreté interne demeure importante : l’évaluation de l’ASM Handbook place les inclusions nocives immédiatement après la microstructure en termes d’importance pour atteindre une durée de vie élevée en fatigue. La charge limite de fatigue, couramment associée à **Pu**, représente la charge en dessous de laquelle la fatigue sous-surface est traitée différemment dans le modèle de durée de vie ajustée. Cela ne signifie pas qu’une charge inférieure à Pu garantit un fonctionnement indéfini. Des dommages de surface, l’usure, la corrosion, les dommages électriques, le faux effet Brinell et la défaillance du lubrifiant peuvent survenir sans que se produise le mécanisme classique de fatigue sous-surface supposé par l’équation de durée nominale de base. La durée nominale ajustée constitue donc un modèle du système de roulement : élaboration de l’acier et traitement thermique, géométrie du roulement, charge appliquée, lubrification, contamination et fiabilité requise interviennent tous dans le résultat. ISO 281 fournit une méthode de calcul rigoureuse. Elle ne remplace ni l’analyse des défaillances, ni le contrôle de la propreté, ni la surveillance du lubrifiant, ni une conception fiable du roulement, et elle ne peut pas transformer une valeur nominale de dureté en garantie de durée de service. ## Les principales familles d’aciers pour roulements La revue *Steels for bearings* (2011) et l’ASTM STP 1327 classent les aciers pour roulements en deux grandes familles : les aciers trempés à cœur, dont toute la section fonctionnelle est martensitique ou bainitique, et les aciers durcis superficiellement, qui présentent une couche superficielle dure au-dessus d’un cœur plus tenace et plus tendre. Il s’agit d’une classification métallurgique, et non d’un classement qualitatif. Le choix approprié dépend de la contrainte de contact, des dimensions de la section, des charges de choc, de la géométrie, du procédé de fabrication et de la tolérance aux dommages requise. La durée de vie d’un roulement ne peut pas être déduite de la seule dureté nominale. La norme ISO 281:2007 calcule les capacités de charge dynamiques et la durée nominale de base des roulements fabriqués à partir d’un acier pour roulements trempé de haute qualité, la durée nominale de base étant définie pour une fiabilité de 90 %. La désignation L10 signifie donc que 90 % de roulements apparemment identiques devraient atteindre ou dépasser le nombre de tours indiqué avant les premières manifestations de fatigue du matériau ; elle ne signifie pas que chaque roulement tombera en panne à ce moment-là. Schaeffler et JTEKT utilisent cette même définition. La durée corrigée peut tenir compte de la lubrification, de la contamination, de la fiabilité et de la charge correspondant à la limite de fatigue, autant de facteurs susceptibles d’éloigner les performances réelles d’une simple estimation fondée sur le matériau. ### Aciers martensitiques trempés à cœur Comparaison des architectures par trempe à cœur et par trempe superficielle. | Caractéristique | Acier trempé à cœur | Acier trempé superficiellement | |---|---|---| | Répartition du carbone | Conçue pour la section de travail | Enrichie près de la surface | | Région dure | S’étend dans toute la section utile | Concentrée dans la couche superficielle | | Cœur | Structure de travail durcie | Structure à plus faible teneur en carbone et plus tenace | | Principale voie de traitement | Austénitisation, trempe, revenu ou transformation bainitique | Cémentation ou carbonitruration suivie d’une trempe et d’un revenu | Un acier trempé à cœur n’est pas simplement un acier dur. Après austénitisation et trempe, la section transversale visée se transforme en martensite, puis un revenu est réalisé afin d’établir la dureté requise, la stabilité dimensionnelle et l’état de contraintes résiduelles souhaités. Le terme « à cœur » décrit la profondeur de la structure durcie ; il n’exige pas que chaque atome de la pièce présente une teneur en carbone ou une dureté identique. Dans une bague de roulement ou un élément roulant, la région concernée doit conserver une structure martensitique revenue appropriée dans les conditions de contact en service. Désignations courantes associées à la famille des aciers à roulements au chrome à haute teneur en carbone ; l’équivalence exacte nécessite la vérification de la norme et de la forme du produit. | Système de désignation | Désignation | Description du matériau | |---|---|---| | AISI | 52100 | Acier à roulements au chrome à haute teneur en carbone | | SAE | 52100 | Acier à roulements au chrome à haute teneur en carbone | | Européenne | 100Cr6 / 1.3505 | Acier à roulements au chrome à haute teneur en carbone | | JIS | SUJ2 | Acier à roulements au chrome à haute teneur en carbone | \[5\] \[5\] [**Bearing Steel Technical Documentation**](https://ntnamericas.com/wp-content/uploads/2020/04/9012E.pdf). NTN. NTN Americas, 2020.La nuance familière à haute teneur en carbone et en chrome AISI 52100, également désignée SAE J404 52100, EN ISO 683-17 100Cr6 et JIS G 4805 SUJ2, en est l’exemple standard. NTN identifie l’acier pour roulements à haute teneur en carbone et en chrome comme un matériau standard pour les éléments roulants et les chemins de roulement. Sa teneur approximative de 1 % en carbone et de 1,5 % en chrome favorise une dureté élevée, la résistance à l’usure et la formation de carbures, mais la désignation de la nuance ne garantit pas la durée de vie en fatigue. La taille, la répartition et la dissolution des carbures pendant le traitement thermique sont importantes. Des carbures excessifs ou mal répartis peuvent agir comme des concentrateurs locaux de contraintes ou laisser subsister des variations de composition après l’austénitisation. Trempabilité **Trempabilité** Aptitude d’une section d’acier à développer la structure transformée durcie prévue à une vitesse de refroidissement donnée. La trempabilité détermine jusqu’à quelle profondeur, à partir de la surface trempée, l’acier peut développer la structure martensitique visée pour une vitesse de refroidissement donnée. Dans une petite bille, un acier classique à haute teneur en carbone et en chrome peut durcir facilement dans la majeure partie de la section ; dans une grande bague, les conditions de refroidissement et l’épaisseur de la section peuvent produire des produits de transformation ou des gradients de dureté différents. Cette distinction est importante, car la fatigue de contact roulant est gouvernée par un champ de contraintes de cisaillement cycliques sous la surface, et non par la seule valeur de dureté superficielle. L’austénite résiduelle constitue une autre variable contrôlée. Une certaine quantité d’austénite résiduelle peut absorber les déformations de transformation et contribuer à la stabilité dimensionnelle lorsqu’elle est correctement choisie, tandis qu’une quantité excessive ou instable peut se transformer en service, modifier les dimensions et générer des contraintes locales. La revue de la NASA publiée en 1987 identifie la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface occupée par les carbures comme des facteurs influençant la durée de vie en fatigue des éléments roulants. Des grains fins d’austénite primaire et une population de carbures maîtrisée réduisent généralement les variations locales dangereuses, mais la règle de conception consistant à rechercher « davantage de dureté » reste incomplète. L’ASM Handbook (2014) accorde son avertissement le plus important à la propreté et à l’absence d’inclusions non métalliques nocives : après l’obtention d’une microstructure appropriée, la propreté est le facteur unique le plus important pour atteindre une longue durée de vie en fatigue de contact roulant. Une inclusion peut amorcer une fissure sous le chemin de roulement même lorsque la dureté, la composition chimique et la profondeur de couche mesurée semblent correctes. Le traitement sous vide, la refusion sous laitier électroconducteur lorsque cela est approprié, les pratiques de forgeage, le taux de réduction et les contrôles peuvent donc influencer la durée de vie davantage qu’un léger ajustement de la teneur en éléments d’alliage. Le contexte de l’étude des matériaux dans l’ASTM STP 1327 comprend pour cette raison l’élaboration de l’acier, la propreté, la fatigue de contact roulant et la trempe à cœur. Les aciers bainitiques constituent la seconde branche des aciers trempés à cœur. Leur voie de transformation est différente : au lieu d’une trempe directe conduisant principalement à la martensite, suivie d’un revenu, l’acier est refroidi puis maintenu dans une plage de transformation bainitique, ou soumis à un cycle de traitement thermique contrôlé produisant une matrice bainitique. La bainite peut offrir une combinaison utile de dureté, de ténacité, de stabilité dimensionnelle et de contraintes résiduelles, en particulier dans les grandes sections où une trempe directe peut créer des gradients indésirables. Ses performances dépendent néanmoins de la morphologie des carbures, de la taille des grains d’austénite primaire, de l’austénite résiduelle, de la teneur en inclusions et du cycle exact de transformation. Le terme « bainitique » ne dispense pas de spécifier la structure et l’état de traitement. ### Aciers durcis superficiellement à cœur plus tendre Les aciers durcis superficiellement présentent la teneur en carbone la plus élevée, et donc la dureté potentielle la plus élevée, à proximité de la surface fonctionnelle. La cémentation ou la carbonitruration enrichit la couche externe avant la trempe ; la couche cémentée se transforme en martensite dure, souvent avec une quantité contrôlée d’austénite résiduelle, tandis que l’intérieur, moins riche en carbone, développe un cœur plus tenace et de dureté moindre. Parmi les exemples courants en ingénierie figurent EN ISO 683-3 20MnCr5 et SAE J404 8620, bien que la désignation applicable et les spécifications de traitement thermique doivent être indiquées pour le composant plutôt que supposées à partir d’une simple appellation de famille. ![Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement](/images/uploads/e56b4dbc-d8a1-4734-b006-2aae1edf6f39/wiki-inline-a-hard-contaminant-dent-with-a-raised-rim-on-a-polished-steel-bearing-raceway-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/e56b4dbc-d8a1-4734-b006-2aae1edf6f39/wiki-inline-a-hard-contaminant-dent-with-a-raised-rim-on-a-polished-steel-bearing-raceway-1920x1288.avif "Agrandir l'image — Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement")A contaminant dent repeatedly disturbs the contact and raises local stress. La couche superficielle doit résister à la déformation plastique, à l’usure et à la fatigue de contact roulant. Sa profondeur doit également dépasser la zone où se concentrent les contraintes de contact dommageables, avec une transition qui ne crée pas de faiblesse brutale. Le cœur a une fonction différente : il doit soutenir la couche cémentée, absorber les chocs, résister à la rupture et supporter les contraintes dues aux ajustements serrés, aux impacts ou au défaut d’alignement. Un roulement durci superficiellement peut donc présenter une surface fonctionnelle plus dure sans rendre toute la section aussi fragile qu’une structure entièrement à haute teneur en carbone et à dureté élevée pourrait le devenir. La ténacité du cœur est particulièrement importante pour les grandes bagues, les composants fortement chargés et les applications exposées aux impacts ou aux charges de bord. Toutefois, un cœur tenace ne peut pas compenser une couche cémentée contaminée, une profondeur de couche insuffisante, une quantité excessive d’austénite résiduelle ou des dommages dus à la rectification. Les gradients de carbone, la sévérité de la trempe, les déformations et les contraintes résiduelles doivent être maîtrisés conjointement. La couche cémentée n’est pas non plus automatiquement supérieure en fatigue de roulement : si la contrainte de contact pénètre profondément, si la transition est mal conçue ou si une inclusion se trouve dans la région critique sous la surface, l’avantage recherché peut disparaître. Les deux familles réagissent également différemment à la trempabilité. Dans une nuance trempée à cœur, la trempabilité détermine si la section fonctionnelle développe partout la structure martensitique requise. Dans une nuance durcie superficiellement, elle contrôle la transformation à la fois de la couche enrichie et du cœur à faible teneur en carbone, tandis que la cémentation contrôle la profondeur et le gradient de carbone. La dureté superficielle peut être similaire dans les deux familles, mais leur réponse aux contraintes sous la surface et leur comportement à la rupture ne sont pas identiques. Enfin, aucune des deux familles ne fonctionne indépendamment du système de roulement. SKF relie les dommages dus à la fatigue à la géométrie du contact, à la répartition des charges, à la lubrification et aux concentrateurs de contraintes. L’étude du U.S. Department of Energy publiée en 2024 a montré que l’eau dissoute ou libre augmentait la micropiqûration et la fissuration due à la fatigue de contact roulant, et qu’elle était associée à la présence de matière blanche d’attaque aux interfaces des fissures. Les capacités du matériau fixent un plafond ; la propreté, la fabrication, l’assemblage, l’état du lubrifiant et la contamination déterminent la part de ces capacités effectivement atteinte. ## Acier à roulements au chrome à forte teneur en carbone et désignations courantes ### Le rôle du carbone et du chrome à forte teneur L’acier au chrome à forte teneur en carbone constitue une famille de matériaux utilisée pour de nombreuses bagues et de nombreux éléments roulants de roulements, mais sa désignation ne permet pas, à elle seule, de prévoir la durée de vie du roulement. Dans sa documentation de 2020 sur les roulements, NTN identifie l’acier pour roulements au chrome à forte teneur en carbone comme un matériau standard pour les éléments roulants et les chemins de roulement. Cette affirmation décrit une catégorie de matériaux reconnue, et non l’affirmation qu’une seule nuance est utilisée pour tous les roulements, tous les cas de charge ou tous les environnements de fonctionnement. Les aciers martensitiques et bainitiques trempés dans la masse constituent une classe majeure d’aciers pour roulements ; les aciers cémentés, dotés d’une couche superficielle dure recouvrant un cœur plus tenace, en constituent une autre, comme l’explique la revue de 2011 *Steels for bearings*. Le carbone fournit la réponse au durcissement nécessaire à un acier pour roulements trempé dans la masse. Lors de l’austénitisation et de la trempe, une teneur en carbone suffisante permet la formation de martensite à forte teneur en carbone, tandis que les carbures non dissous et précipités contribuent à la résistance à l’usure et à la capacité à supporter les contraintes de contact. La quantité et la répartition sont importantes. Une ségrégation excessive des carbures, des particules de carbure grossières ou un réseau de carbures inadapté peuvent créer des concentrations locales de contraintes au lieu d’améliorer la résistance à la fatigue. Le chrome remplit plusieurs fonctions connexes. Il augmente la trempabilité, permettant à une section de roulement de se transformer plus uniformément lors de la trempe, et participe à la formation de carbures riches en chrome. Il contribue également à la stabilité dimensionnelle et à la résistance à l’usure attendues de la structure traitée thermiquement. Toutefois, la teneur en chrome ne remplace pas la maîtrise du procédé. La température d’austénitisation, le temps de maintien, la vitesse de refroidissement, le revenu, l’austénite retenue, la taille des grains d’austénite antérieure et la morphologie des carbures modifient tous la structure obtenue. La nuance bien connue AISI 52100 illustre cette relation. Sa composition nominale est généralement indiquée autour de 0,98–1,10 % de carbone et de 1,30–1,60 % de chrome, avec du manganèse et du silicium présents dans des plages spécifiées plus étroites, mais ces chiffres ne définissent pas à eux seuls le matériau complet du roulement. Dans son rapport de 1987, la NASA a identifié la dureté, l’austénite retenue, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures comme des facteurs influençant la durée de vie en fatigue des éléments roulants. La NASA a également indiqué que le traitement, notamment la fusion sous double vide, pouvait exercer une influence sur la durée de vie plus importante que la seule composition chimique. La propreté de l’acier est particulièrement importante. Dans son étude de 2014 consacrée aux aciers pour roulements, l’ASM Handbook identifie la propreté et l’absence d’inclusions non métalliques nuisibles comme le facteur le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une longue durée de vie en fatigue de contact de roulement. Une inclusion peut agir comme un concentrateur de contraintes sous le chemin de roulement ou la surface de roulement, amorçant une fissure qui se propage ensuite sous l’effet de contacts hertziens répétés. La taille, la composition, la forme et l’emplacement de l’inclusion, ainsi que son adhérence à l’acier environnant, sont tous importants ; une simple valeur de l’oxygène total ne peut pas décrire tous les risques pertinents. \[6\] \[6\] [**Load Carrying Capacity and Life**](https://medias.schaeffler.us/en/knowledge-center/rolling-bearings/load-carrying-capacity-and-life). Schaeffler. Schaeffler Knowledge Center, 2024. C’est pourquoi il ne faut pas confondre la dureté nominale avec la durée de vie calculée. La norme ISO 281:2007 fournit des méthodes pour déterminer la capacité de charge dynamique et la durée nominale de vie des roulements fabriqués à partir d’un acier pour roulements trempé de haute qualité. Sa durée nominale de vie est associée à une fiabilité de 90 %. Schaeffler définit de manière similaire L10 : le nombre de tours atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant les premières manifestations de fatigue du matériau. JTEKT décrit la capacité de charge dynamique nominale comme la capacité en fatigue de roulement et applique L10 aux roulements fabriqués à partir d’aciers pour roulements spécifiés ou de matériaux équivalents. Les performances réelles dépendent également de la géométrie du contact, de la répartition de la charge, de la lubrification, de la contamination et de l’état de surface. La contamination par l’eau en est un exemple direct : des recherches rapportées par le U.S. Department of Energy en 2024 ont montré que l’eau dissoute ou libre présente dans le lubrifiant augmentait la micropiqûration et la fissuration due à la fatigue de contact de roulement, et était associée à la présence de matière à attaque blanche aux interfaces des fissures. Le nom d’une nuance ne peut pas rendre compte de cette condition de fonctionnement. ### Désignations AISI, SAE, EN et équivalentes AISI 52100 et SAE 52100 sont des désignations couramment rencontrées pour un acier pour roulements au chrome à forte teneur en carbone. Dans de nombreux documents techniques, les deux désignations numériques sont considérées comme faisant référence à la même famille de nuances nominales. Cette simplification n’est utile que lorsque la spécification citée l’étaye réellement. Les publications AISI et SAE, les spécifications d’achat, les adoptions nationales et les fiches techniques des fabricants peuvent imposer des exigences différentes concernant la composition chimique, la forme du produit, la classe de qualité, les essais ou le procédé de fabrication. La désignation européenne s’écrit couramment **100Cr6**, avec le numéro de matériau **[1.3505](/fr/matériaux/numéro-de-matériau/1.3505 " — composition, correspondances et normes")**, dans les normes européennes pertinentes relatives aux aciers pour roulements. Une citation devrait identifier la norme et son édition, par exemple **EN ISO 683-17:2014**, plutôt que de présenter « 100Cr6 » comme un synonyme universel isolé de tout contexte. La norme internationale s’écrit **ISO 683-17**, avec l’année et le titre applicables vérifiés par rapport au document cité. L’adoption britannique peut apparaître sous la forme **BS ISO 683-17**, là encore avec son année de publication et les informations propres au document national. D’autres systèmes nationaux utilisent des désignations différentes. **JIS G 4805 SUJ2** est une désignation japonaise fréquemment associée à un acier pour roulements au chrome à forte teneur en carbone. Les documents ASTM peuvent spécifier un acier à forte teneur en carbone pour roulements antifriction au moyen de **ASTM A295/A295M**, mais une spécification de produit ASTM n’est pas automatiquement l’équivalent exact, nuance pour nuance, de AISI 52100 ou de EN ISO 683-17 100Cr6. Elle peut définir les limites chimiques, les exigences applicables au produit ou les dispositions relatives à la qualité d’une manière différente. Les documents des fabricants peuvent ajouter un niveau supplémentaire. NTN, SKF, Schaeffler, JTEKT et d’autres organisations du secteur des roulements peuvent identifier des familles de matériaux, des codes internes de matériaux, des conditions de traitement thermique ou des variantes à propreté améliorée. Une telle désignation peut décrire un produit de roulement maîtrisé sans constituer un remplacement formel de **AISI 52100**, **SAE 52100**, **100Cr6**, **1.3505** ou **SUJ2**. L’orthographe exacte, la capitalisation, les espaces, le numéro de matériau, le numéro de norme et la révision doivent être conservés lorsqu’une source est citée. ### Pourquoi l’équivalence des désignations doit être vérifiée L’équivalence chimique n’est que la première vérification. Deux aciers peuvent se situer dans des plages similaires de carbone et de chrome tout en différant par leur teneur en soufre, en phosphore, en éléments résiduels et en oxygène, ainsi que par leurs limites d’inclusions, leur maîtrise de la ségrégation et leur procédé de fabrication autorisé. Ces différences peuvent influencer le comportement en fatigue de contact de roulement, même lorsqu’un certificat d’analyse chimique en laboratoire semble proche. Le traitement thermique constitue une autre ligne de démarcation. « 52100 » ne précise ni la température d’austénitisation, ni le milieu de trempe, ni le traitement subzéro, ni le cycle de revenu, ni le profil de dureté, ni la teneur en austénite retenue, ni l’exigence de stabilité dimensionnelle. De même, « 100Cr6 » ne révèle pas à lui seul si le produit est une barre recuite, une ébauche de bague trempée dans la masse, un matériau fini destiné à un chemin de roulement ou une variante ayant fait l’objet d’un traitement spécial. Un roulement cémenté peut utiliser une nuance entièrement différente, car sa surface et son cœur exigent des teneurs en carbone et des comportements de transformation différents. La propreté et la morphologie des inclusions nécessitent une vérification distincte. La fusion sous vide, la refusion sous laitier électroconducteur, le traitement sous double vide, le procédé de refusion, le taux de réduction, le forgeage, le laminage et les règles d’inspection peuvent produire des différences significatives entre des matériaux portant des noms de nuances similaires. La question pertinente n’est pas simplement de savoir si une composition correspond ; il faut déterminer si l’acier spécifié présente une maîtrise comparable des inclusions, une microstructure, un traitement thermique et une qualité de produit comparables. L’équivalence des performances est encore plus restreinte. Les calculs de durée de vie selon ISO 281 reposent sur des hypothèses définies concernant le roulement et le matériau, tandis que la durée de vie ajustée peut intégrer les effets de la lubrification, de la contamination, de la fiabilité et de la limite de fatigue. Un acier nominalement équivalent ne garantit pas le même résultat L10, la même durée de vie nominale ajustée ni la même résistance à la micropiqûration. Par conséquent, un article ne devrait pas remplacer de manière désinvolte une désignation AISI ou SAE par une désignation EN, ISO, JIS, ASTM ou celle d’un fabricant. Il faut d’abord vérifier la norme citée, son édition, la forme du produit, les exigences de qualité supplémentaires et les conditions de traitement thermique. Ce n’est qu’ensuite que le terme « équivalent » peut signifier autre chose qu’une composition chimique similaire. ## Propreté : la variable métallurgique sous-estimée dans les synthèses grand public La dureté nominale est facile à mesurer ; elle devient donc souvent la propriété mise en avant pour un acier de roulement. La fatigue de contact de roulement est moins commode à évaluer. Un chemin de roulement peut présenter la dureté spécifiée et une composition d’alliage familière, tout en défaillant prématurément parce qu’une inclusion non métallique microscopique crée un site local d’amorçage de fissure. La capacité du matériau à résister à la fatigue est donc le résultat de l’élaboration de l’acier, des pratiques de fusion, de la déformation, du traitement thermique, du chargement de contact et de la lubrification — et non d’un nombre de dureté considéré isolément. Une fois la microstructure appropriée obtenue, la propreté et l’absence d’inclusions non métalliques nocives constituent le facteur le plus important pour obtenir une longue durée de vie en fatigue de contact de roulement. Strong evidence L’ASM Handbook explicite cette hiérarchie. Dans son édition de 2014 consacrée aux aciers pour roulements, il identifie d’abord une microstructure appropriée, puis la propreté de l’acier et l’absence d’inclusions non métalliques nocives, comme les facteurs les plus importants pour obtenir une longue durée de vie en fatigue de contact de roulement. Cette affirmation est plus forte que l’idée généralement avancée selon laquelle « un acier propre dure plus longtemps ». Elle place les inclusions nocives au cœur de la conception et de la production des roulements, après l’obtention de la structure de matrice requise. Cette capacité du matériau ne doit pas être confondue avec la durée de vie calculée d’un roulement. La norme ISO 281:2007 spécifie des méthodes pour déterminer les capacités de charge dynamique et la durée nominale de vie des roulements fabriqués en acier de haute qualité pour roulements trempé ; sa durée nominale de vie est associée à une fiabilité de 90 %. Dans la terminologie utilisée par Schaeffler en 2024, L10 correspond au nombre de tours atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant les premières manifestations de fatigue du matériau. JTEKT utilise la même base de 90 % pour la durée nominale de vie. Ces définitions décrivent une population statistique, et non une garantie pour un roulement donné ; elles n’annulent pas non plus les effets d’une inclusion particulièrement dommageable, d’un lubrifiant contaminé ou d’un champ de contraintes local défavorable. ### Les inclusions non métalliques comme concentrateurs de contraintes ![Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement](/images/uploads/6ffe494a-1a4d-4a77-baf3-71e8fc91d7bd/wiki-inline-a-sectional-comparison-of-a-through-hardened-steel-bearing-ring-and-a-case-harde-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/6ffe494a-1a4d-4a77-baf3-71e8fc91d7bd/wiki-inline-a-sectional-comparison-of-a-through-hardened-steel-bearing-ring-and-a-case-harde-1920x1434.avif "Agrandir l'image — Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement")Through-hardening and case-hardening place strength and toughness at different depths. Inclusion non métallique **Inclusion non métallique** Particule non métallique incorporée dans l’acier, telle qu’un oxyde, un sulfure, un silicate, un aluminate ou une inclusion complexe, susceptible de perturber localement le champ de contraintes. Un contact de roulement comprime et cisaille de manière répétée un volume d’acier proche de la surface. La contrainte nominale de Hertz se calcule à partir de la géométrie, de la charge et des dimensions du contact, mais l’acier ne subit pas cette contrainte comme un continuum parfaitement homogène. Une inclusion interrompt la matrice métallique. Son module d’élasticité, sa forme, son adhérence à l’acier environnant et sa résistance à la déformation diffèrent de ceux de la matrice martensitique, bainitique ou cémentée qui l’entoure. Cette incompatibilité modifie le champ de contraintes local. Des contraintes de traction et de cisaillement peuvent se concentrer à la frontière d’une inclusion, en particulier au niveau d’un angle vif, d’une extrémité allongée ou d’une interface faiblement liée. Le passage répété du contact favorise alors la formation d’une fissure sous la surface ou d’une fissure qui atteint le chemin de roulement. Lorsqu’une petite fissure apparaît, le chargement cyclique peut la faire progresser jusqu’à la séparation d’une partie du chemin de roulement ou de l’élément roulant. Le cratère visible constitue une manifestation tardive ; l’événement métallurgique a commencé à une échelle beaucoup plus petite. Les principales familles de matériaux décrites dans la revue de 2011 *Steels for bearings* sont les aciers martensitiques ou bainitiques trempés dans la masse, ainsi que les aciers cémentés présentant une couche superficielle durcie au-dessus d’un cœur plus tendre. Les deux familles peuvent subir une fatigue de contact de roulement amorcée par une inclusion. La cémentation modifie le profil de dureté et de contraintes résiduelles en fonction de la profondeur, tandis que la trempe dans la masse produit une matrice et un état du cœur différents ; toutefois, aucune de ces structures ne rend une inclusion nocive inoffensive. Les inclusions interagissent également avec le système en fonctionnement. L’explication de SKF concernant la fatigue des roulements relie la durée de vie à la géométrie du contact, à la répartition de la charge, à la lubrification et aux concentrateurs de contraintes. Un chemin de roulement présentant une dépression issue d’une inclusion peut perturber le film lubrifiant, accroître la pression locale et engendrer une dégradation superficielle supplémentaire. Une mauvaise lubrification ne crée pas l’inclusion initiale, mais elle peut réduire le délai entre l’amorçage et l’apparition de dommages visibles. La contamination par l’eau constitue une autre voie de dégradation : des travaux expérimentaux rapportés en 2024 par l’intermédiaire de l’Office of Scientific and Technical Information du U.S. Department of Energy ont montré que l’eau dissoute ou libre augmentait la micropiqûration et la fissuration par fatigue de contact de roulement, et qu’elle était associée à une matière à attaque blanche au niveau des interfaces de fissures. ### Chimie, taille et morphologie des inclusions La « propreté » n’est pas une simple désignation chimique. Elle décrit la population de particules non métalliques ainsi que la probabilité qu’une particule dommageable se trouve dans un volume fortement sollicité. Les inclusions d’oxyde proviennent couramment des produits de désoxydation, de la réoxydation ou de l’entraînement de laitier. Les inclusions de sulfure se forment lors de réactions impliquant le soufre et peuvent être relativement tendres et déformables pendant le laminage. Les silicates, les aluminates, les spinelles et les inclusions complexes contenant du calcium représentent d’autres populations possibles, selon la composition de l’acier, les interactions avec les matériaux réfractaires et le traitement en poche. Leurs effets diffèrent. Un oxyde ou un aluminate dur et anguleux peut agir comme un concentrateur de contraintes sévère, car il résiste à la déformation et présente des caractéristiques géométriques aiguës. Une inclusion de sulfure de manganèse peut se déformer en cordon lors du travail à chaud, produisant des propriétés dépendantes de la direction et une interface allongée. Une inclusion complexe peut contenir un cœur dur et une phase externe modifiée ; son comportement en fatigue ne peut donc pas être déduit de la seule teneur nominale en soufre ou en oxygène. La taille est importante, mais elle ne suffit pas à elle seule. Une inclusion plus grande perturbe généralement une plus grande quantité de matrice et offre un site potentiel d’amorçage de fissure plus important. La localisation est également déterminante : une particule située dans la zone de contrainte maximale de cisaillement orthogonal peut être plus dommageable qu’une particule plus grande située en dehors du principal volume sollicité. La forme, le rapport d’aspect, l’agglomération, l’orientation, la liaison interfaciale et la structure des carbures environnants modifient tous le résultat local. Deux coulées présentant des teneurs moyennes en oxygène similaires peuvent ainsi afficher des performances différentes en fatigue de contact de roulement si leurs plus grandes inclusions, leur répartition d’inclusions ou leur historique de déformation diffèrent. La matrice demeure importante. Le rapport de la NASA de 1987 sur la fatigue des éléments roulants a identifié la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains, ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures comme des facteurs influençant la durée de vie. Des carbures excessifs ou mal répartis peuvent modifier les trajectoires des fissures et les contraintes locales ; l’austénite résiduelle peut se transformer sous l’effet du chargement en service ; la taille des grains et la résistance de la matrice influencent la déformation cyclique. La propreté doit donc être considérée comme une variable déterminante au sein d’un système microstructural, et non comme un substitut au contrôle du traitement thermique. ### Traitement sous vide et voie d’élaboration de l’acier La voie d’élaboration de l’acier détermine la manière dont les inclusions sont générées, modifiées, éliminées ou conservées. La refusion sous laitier électroconducteur, la refusion à l’arc sous vide et les autres pratiques de fusion secondaire peuvent réduire certaines populations d’inclusions et améliorer le contrôle de la ségrégation, mais le résultat dépend de l’ensemble de la chaîne de fabrication : fusion, affinage, coulée, refusion, forgeage ou laminage, traitement thermique et contrôle. La mention « sous vide » ne remplace pas une caractérisation mesurée des inclusions. Les conclusions de la NASA en 1987 sont particulièrement importantes, car elles remettent en question les explications fondées uniquement sur la composition chimique. Le rapport a montré que des procédés tels que la fusion sous double vide pouvaient influencer plus fortement la durée de vie en fatigue des éléments roulants que la composition chimique seule. Les voies sous double vide associent généralement une fusion par induction sous vide à une refusion à l’arc sous vide, ce qui réduit l’exposition à la réoxydation atmosphérique et améliore le contrôle des gaz dissous et des populations d’inclusions. L’implication est directe : deux aciers présentant des pourcentages nominaux d’éléments d’alliage similaires peuvent avoir des durées de vie en fatigue différentes lorsque leurs historiques de fusion et d’affinage produisent des niveaux de propreté ou des répartitions de particules différents. L’ASTM STP 1327 place cette question aux côtés de la durée de vie des roulements, de la fatigue de contact de roulement, de l’élaboration de l’acier, de la trempe dans la masse, de la cémentation, des aciers aéronautiques, des aciers résistants à la corrosion et de la modification des surfaces. Ce contexte plus large est important, car la propreté se retrouve dans le composant fini. Le forgeage peut fragmenter ou allonger les inclusions ; l’usinage peut exposer une particule sous la surface ; le traitement thermique peut modifier la matrice qui l’entoure. La durée de vie d’un roulement résulte du comportement du composant ainsi obtenu sous sa contrainte de contact réelle, dans ses conditions réelles de lubrification et à son niveau réel de contamination. La composition chimique définit les possibilités. Une élaboration propre de l’acier détermine combien de ces possibilités subsistent sous forme de défauts critiques pour la fatigue. ## Microstructure après traitement thermique Le traitement thermique détermine bien davantage que la dureté finale relevée sur une éprouvette d’essai. Il établit les phases qui supportent le contact de roulement, les contraintes résiduelles laissées par la trempe, la stabilité du composant en service, ainsi que la taille et la répartition des carbures, lesquels peuvent soit favoriser la résistance à l’usure, soit amorcer des dommages de fatigue. Une piste de roulement peut donc satisfaire une spécification nominale de dureté tout en présentant de mauvaises performances si sa martensite est trop fragile, si son austénite résiduelle se transforme en fonctionnement ou si sa population de carbures contient de grosses particules mal réparties. Les principales classes de matériaux sont les aciers martensitiques ou bainitiques trempés dans la masse, ainsi que les aciers cémentés dans lesquels une couche superficielle dure est soutenue par un cœur plus tendre, comme l’explique la revue de 2011 *Steels for bearings*. Selon NTN (2020), l’acier à roulements au chrome et à haute teneur en carbone est un matériau standard pour les éléments roulants et les pistes de roulement. Une désignation courante est SAE 52100, également écrite AISI 52100 dans de nombreuses références d’ingénierie ; ses performances dépendent de l’ensemble de la chaîne d’élaboration — fusion, forgeage, laminage, traitement thermique et finition — et non de la seule désignation. ### Martensite, bainite et structures revenues La martensite trempée présente une dureté élevée parce que le carbone est piégé dans un réseau de fer sursaturé. Cette dureté accroît la résistance aux contraintes répétées de cisaillement et de compression générées sous le contact d’une piste ou d’un élément roulant. Elle n’est toutefois pas suffisante à elle seule. La martensite non revenue présente de fortes contraintes internes et une tolérance limitée à la rupture ; elle est donc normalement revenue afin de réduire les contraintes de trempe et d’ajuster l’équilibre entre dureté et ténacité. Le revenu précipite le carbone hors de la martensite et modifie sa tétragonalité, sa résistance et son comportement à la rupture. Une structure correctement revenue peut résister à la déformation plastique sous le contact tout en tolérant mieux les concentrations locales de contraintes que la martensite non revenue. Un revenu excessif réduit cependant la dureté et peut accroître la profondeur de la déformation plastique produite à chaque passage du contact. Les déformations répétées s’accumulent alors autour des inclusions, des interfaces avec les carbures, des dommages de rectification ou d’autres discontinuités. Les aciers à roulements bainitiques suivent une voie de transformation différente. Selon la température de transformation et le procédé utilisé, la bainite peut offrir une combinaison utile de dureté, de ténacité et de stabilité dimensionnelle, avec une déformation de trempe inférieure à celle d’une voie entièrement martensitique. Sa réponse en fatigue dépend néanmoins de la finesse et de l’homogénéité de la structure bainitique, de l’état des carbures et des contraintes résiduelles. « Bainitique » ne désigne pas une classe de performances unique : des produits de transformation grossiers ou hétérogènes ne supportent pas les contraintes de contact de la même manière qu’une structure fine et soigneusement maîtrisée. Les nuances cémentées associent une surface dure à forte teneur en carbone à un cœur à plus faible teneur en carbone. La couche cémentée résiste à la déformation de contact, tandis que le cœur peut absorber une partie des contraintes d’impact et de flexion. Le potentiel carbone, la profondeur de cémentation, l’austénite résiduelle, la précipitation des carbures et la transformation du cœur doivent être adaptés au champ de contraintes appliqué. Une couche cémentée trop peu profonde laisse des contraintes élevées sous la surface dans un matériau plus tendre ; une couche trop dure ou mal soutenue peut devenir sensible à la fissuration. Les contraintes résiduelles ajoutent un autre niveau de complexité. Des contraintes résiduelles de compression proches de la surface active peuvent retarder l’ouverture des fissures, tandis que des contraintes résiduelles de traction favorisent l’amorçage et la propagation des fissures. La trempe, la cémentation, la rectification et la finition peuvent toutes modifier ce champ. Le profil de contraintes résiduelles utile est donc le résultat du procédé, et non une conséquence garantie d’une dureté élevée. ### Austénite résiduelle et stabilité dimensionnelle Austénite résiduelle **Austénite résiduelle** Austénite qui ne se transforme pas pendant la trempe et subsiste sous forme de phase métastable dans l’acier traité thermiquement. L’austénite résiduelle est l’austénite qui subsiste après la trempe au lieu de se transformer en martensite. Dans un acier à roulements, une certaine quantité d’austénite résiduelle peut améliorer la ténacité et permettre l’accommodation des déformations locales, mais elle est métastable. La pression de contact, le cisaillement cyclique, la température et le temps peuvent la transformer en martensite fraîche ou en d’autres produits au cours du service. Cette transformation peut provoquer une variation dimensionnelle et des contraintes locales. Dans les roulements de précision, même une faible modification de la géométrie de la piste change la conformité du contact, la répartition de la charge et l’épaisseur du film lubrifiant. L’augmentation de la contrainte maximale qui en résulte peut réduire la durée de vie en fatigue malgré une valeur de dureté initialement acceptable. La transformation peut également créer de la martensite fraîche, relativement peu revenue, qui peut devenir une zone sensible à la fissuration si le revenu ultérieur et les conditions de service ne maîtrisent pas sa réponse. La situation inverse est également problématique. Si la quantité d’austénite résiduelle est trop fortement réduite ou si sa transformation est trop brutale, la structure peut perdre une partie de sa capacité d’accommodation des déformations et devenir plus fragile. Le traitement cryogénique, le revenu de stabilisation et une trempe étroitement contrôlée sont utilisés dans certains procédés, mais leurs effets dépendent de la teneur en carbone, des éléments d’alliage, de la dimension de la section et de l’état de l’austénite préalable. Il n’existe pas de pourcentage universel d’austénite résiduelle définissant la sécurité d’un roulement. La revue de 1987 de la NASA sur la fatigue des éléments roulants identifie la dureté et l’austénite résiduelle parmi les variables influençant la durée de vie, avec la taille des grains et la taille, le nombre et la surface des carbures. Cette constatation est importante, car l’austénite résiduelle modifie à la fois la réponse mécanique initiale et la structure rencontrée après des millions de cycles de contact. Une mesure de dureté effectuée immédiatement après le revenu ne décrit pas l’ensemble de l’historique en service. La lubrification et la contamination peuvent mettre ces faiblesses en évidence. Le résumé publié en 2024 par le U.S. Department of Energy sur des travaux expérimentaux indique que l’eau dissoute ou libre augmentait le micropitting et la fissuration par fatigue de contact de roulement, avec de la matière blanche attaquée associée aux interfaces des fissures. Le lubrifiant contrôle l’état de contrainte au niveau de la surface de contact, tandis que la structure traitée thermiquement détermine la manière dont les contraintes sous la surface sont accommodées. Ni le matériau ni le lubrifiant ne peuvent donc être évalués isolément. ### Taille des grains et population de carbures La taille des grains d’austénite préalable influe sur l’échelle des produits de transformation formés lors du refroidissement. Des grains fins d’austénite préalable offrent généralement des chemins plus courts à la propagation des fissures et peuvent favoriser une structure martensitique ou bainitique plus homogène. Des grains grossiers peuvent concentrer les déformations de transformation et créer de grandes régions présentant une orientation cristallographique similaire, permettant aux fissures de fatigue de se développer ou de progresser avec moins d’obstacles. L’affinage des grains ne supprime pas la nécessité d’une bonne propreté inclusionnaire ni d’un revenu approprié ; il modifie une partie du problème de l’amorçage et de la propagation des fissures. Les carbures fournissent des phases dures riches en carbone et en chrome qui contribuent à la résistance à l’usure et au maintien de la dureté. Leur population doit être évaluée selon des critères allant au-delà de la taille moyenne. NASA (1987) a spécifiquement fait état d’effets liés à la taille, au nombre et à la surface des carbures. La surface des carbures décrit la fraction de la microstructure occupée par ceux-ci ; le nombre de carbures indique combien de particules sont présentes ; la taille décrit leur dimension et, point essentiel, la partie supérieure de leur distribution. Des carbures fins, nombreux et raisonnablement uniformes peuvent contribuer à la dureté sans produire de gros défauts isolés. Une surface de carbures excessive peut réduire la continuité de la matrice porteuse de charge. De grosses particules, des alignements de carbures laissés par la mise en forme ou des amas orientés par le laminage peuvent agir comme des concentrateurs locaux de contraintes. La matrice et les carbures présentent des réponses élastiques et plastiques différentes ; le contact répété peut donc générer de fortes contraintes interfaciales. Une fissure peut s’amorcer sur un carbure, dans un amas de carbures ou au niveau d’une inclusion adjacente à un carbure. Une teneur en carbone insuffisante ou une formation inadéquate des carbures crée le problème inverse : l’acier peut manquer de la dureté et de la résistance à l’usure nécessaires pour supporter des contacts répétés sans accumuler de déformation plastique. Augmenter la teneur en carbone ou en carbures n’est pas une solution simple, car des carbures non dissous grossiers et la ségrégation peuvent accroître le risque d’amorçage des fissures. Le traitement thermique doit dissoudre suffisamment de carbone pour la martensite ou la couche cémentée visée, conserver une population contrôlée de carbures non dissous et éviter un grossissement excessif lors de l’austénitisation. L’ASM Handbook (2014) identifie la propreté de l’acier et l’absence d’inclusions non métalliques nuisibles comme le facteur unique le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une longue durée de vie en fatigue de contact de roulement. La fusion sous vide et les procédés d’affinage associés peuvent donc influer plus fortement sur la durée de vie en fatigue qu’une faible modification de la composition chimique. L’historique de fabrication est déterminant. Ces effets du matériau doivent également être replacés dans un cadre statistique. ISO 281:2007 définit la durée nominale de vie de base comme la durée de vie associée à une fiabilité de 90 % ; BS ISO 281:2007 en constitue l’adoption britannique. Schaeffler (2024) et JTEKT (2024) définissent de même L10 comme le nombre de révolutions atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant l’apparition des premiers signes de fatigue du matériau. Cette durée de vie calculée n’est pas une promesse fondée sur la seule dureté. Elle décrit une population dans des conditions données, tandis que le résultat réel dépend de la microstructure, des inclusions, des contraintes, de la lubrification, de la contamination, de la géométrie et des variations de fabrication. ## Mécanique du contact, répartition de la charge et concentrateurs de contraintes ### Contact élastique concentré Un roulement ne transmet pas la charge par l’intermédiaire d’une vaste zone soumise à une contrainte uniforme. Chaque bille ou rouleau appuie sur un chemin de roulement par l’intermédiaire d’une petite empreinte de contact, ce qui produit un contact élastique concentré. La pression locale et les contraintes de cisaillement sous la surface dépendent de la charge normale, des rayons de courbure, des propriétés élastiques des deux corps et de la forme du contact. Il s’agit du problème du contact hertzien, mais les contacts dans les roulements ne sont pas des points isolés issus d’un manuel théorique : la courbure du chemin de roulement, la conformité, le bombé, l’angle de contact et la largeur finie des rouleaux modifient le champ de contraintes. Le manuel SKF considère la géométrie du contact et la répartition de la charge comme des facteurs centraux de la fatigue des roulements, car les contraintes orthogonales et de cisaillement maximales apparaissent sous la surface de contact, et pas nécessairement au point où les dommages sont visibles. Une modification de la courbure du chemin de roulement change la taille et la répartition de la pression dans l’ellipse de contact. Un rouleau dont le délestage d’extrémité est insuffisant peut provoquer une forte concentration de pression sur son bord, où la contrainte locale peut largement dépasser la valeur prévue à partir de la charge nominale du roulement. L’ondulation et les erreurs de forme du chemin de roulement produisent un effet similaire en faisant fluctuer la charge à mesure que l’élément roule. La dureté nominale ne peut donc pas, à elle seule, définir les performances. NTN identifie l’acier à roulement au chrome et à haute teneur en carbone comme un matériau standard pour les éléments roulants et les chemins de roulement, généralement représenté par des nuances telles que AISI 52100 et par ses désignations nationales ou propres aux fabricants. Pourtant, un composant fabriqué dans cet acier peut subir un historique de contraintes différent lorsque sa conformité, son angle de contact ou le profil de son chemin de roulement change. L’acier fournit une capacité du matériau ; la géométrie détermine quelle part de cette capacité le contact consomme à chaque révolution. L’état de surface intervient également dans le calcul du contact. Lorsque le film est mince, les aspérités de rugosité peuvent traverser le film lubrifiant, provoquant une interaction locale métal contre métal et des pics de pression à courte longueur d’onde. La contamination par l’eau aggrave la situation. Une étude menée en 2024 par le U.S. Department of Energy a indiqué que l’eau dissoute ou libre augmentait la micropiqûration et la fissuration due à la fatigue de contact roulant, et qu’elle était associée à la présence de matière blanchement attaquée aux interfaces des fissures. La lubrification fait donc partie de la mécanique du contact, et ne constitue pas uniquement une question de maintenance. Le calcul de la durée de vie est une mesure d’ingénierie statistique, et non la promesse que chaque roulement tombera en panne sous une contrainte ou après un nombre de révolutions précis. ISO 281:2007 spécifie les méthodes de détermination des capacités de charge dynamique et de la durée nominale de vie des roulements fabriqués en acier à roulements trempé de haute qualité ; sa durée nominale de vie est associée à une fiabilité de 90 %. BS ISO 281:2007 en constitue l’adoption britannique. Schaeffler définit L10 comme le nombre de révolutions atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant l’apparition des premiers signes de fatigue du matériau. La durée de vie corrigée peut tenir compte de la lubrification, de la contamination, de la fiabilité et de la charge correspondant à la limite de fatigue, mais ces facteurs décrivent toujours un système de fonctionnement particulier, et non la dureté seule. ### Répartition de la charge entre les éléments roulants La charge radiale ou axiale appliquée est répartie entre les éléments roulants, mais cette répartition est inégale. L’élément le plus proche de la ligne de charge supporte l’effort le plus important, tandis que les éléments situés plus loin autour du roulement supportent progressivement moins de charge et peuvent, dans certaines conditions, n’en supporter presque aucune. La taille de la zone chargée et la force exercée sur chaque élément dépendent du jeu radial, de la déformation élastique, de l’angle de contact, de la rigidité des bagues, de l’ajustement, de la précharge, de la charge externe et de la géométrie interne. Un roulement présentant un jeu excessif peut concentrer la charge externe sur un petit nombre d’éléments. La charge maximale supportée par un élément augmente alors, ce qui accroît la pression hertzienne et le cycle de contraintes sous la surface. Une précharge excessive crée un problème d’apparence opposée, mais lié : davantage d’éléments se partagent la charge, mais chaque élément supporte une force permanente avant même l’application de la charge externe. Si la précharge est trop élevée, l’échauffement dû au frottement, la pression de contact et les dommages par fatigue peuvent tous augmenter. Le même acier à roulement peut par conséquent produire des durées de vie très différentes selon que l’ajustement est lâche, qu’il s’agit d’un ajustement serré avec interférence ou que la précharge est excessive. Le défaut d’alignement modifie à nouveau la répartition. Des bagues intérieure et extérieure présentant un défaut d’alignement angulaire peuvent contraindre une bille ou un rouleau à entrer en contact avec un chemin de roulement près d’un bord. Dans les roulements à rouleaux cylindriques, le désalignement angulaire peut déplacer la charge vers les extrémités des rouleaux ; dans les roulements à billes, l’inclinaison des bagues peut déformer l’ellipse de contact et provoquer une charge de bord. La flexion de l’arbre, la déformation du logement et l’imprécision des épaulements peuvent créer ces conditions même lorsque la charge nominale du roulement reste dans les limites de la capacité indiquée au catalogue. \[7\] \[7\] [**Bearing Knowledge: Basic Dynamic Load Rating and Rating Life**](https://koyo.jtekt.co.jp/en/support/bearing-knowledge/5-2000.html). JTEKT. JTEKT Bearing Knowledge, 2024. Les ajustements influent sur davantage que le seul maintien en position. Un ajustement avec interférence excessive peut réduire le jeu interne, augmenter la précharge et déformer une bague mince. Un ajustement lâche peut permettre le glissement circonférentiel ou le microglissement d’une bague, générant de l’usure par fretting et des dommages supplémentaires de surface. JTEKT décrit la capacité de charge dynamique de base comme une mesure de la capacité à résister à la fatigue de roulement et indique que L10 correspond à une fiabilité de 90 % pour les roulements fabriqués à partir d’aciers à roulements spécifiés ou de matériaux équivalents. Cette affirmation suppose que le roulement fonctionne dans les conditions de géométrie, de charge et d’installation représentées par la méthode de calcul de la capacité. L’historique des contraintes dépend également de l’état du matériau. La revue de 2011 *Steels for Bearings* distingue les aciers martensitiques ou bainitiques trempés à cœur des aciers cémentés, qui possèdent une couche superficielle durcie au-dessus d’un cœur plus tendre. NASA a indiqué en 1987 que la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures influençaient la durée de vie en fatigue des éléments roulants. L’ASM Handbook, 2014, identifie la propreté de l’acier et l’absence d’inclusions non métalliques nocives comme le facteur le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une longue durée de vie en fatigue de contact roulant. Un contact en AISI 52100 propre et correctement élaboré peut donc durer plus longtemps qu’un contact plus dur mais plus contaminé sous la même charge nominale. ### Défauts de surface et discontinuités géométriques La fatigue de contact roulant a deux grandes origines. La fatigue d’origine sous-superficielle commence sous le chemin de roulement, souvent au niveau d’une inclusion soumise à une forte contrainte ou d’une région présentant une microstructure défavorable, et peut évoluer en écaillage après des sollicitations répétées en cisaillement. Les dommages d’origine superficielle commencent à la surface du chemin de roulement ou de l’élément roulant, là où la rugosité, une lubrification insuffisante, le glissement, la contamination ou un défaut concentrent les contraintes. Cette distinction est importante, car une surface polie ne peut pas éliminer une inclusion interne nocive, tandis qu’une excellente propreté interne ne peut pas empêcher une indentation d’agir comme amorce répétée de fissure. Les inclusions non métalliques sont particulièrement importantes, car leur comportement élastique et interfacial diffère de celui de l’acier environnant. La conclusion de l’ASM place la propreté immédiatement après une microstructure appropriée en termes d’importance. Le procédé d’élaboration peut avoir davantage d’importance qu’une légère variation de composition chimique : les travaux de NASA de 1987 ont identifié la fusion sous double vide et les effets de procédés apparentés comme des facteurs influençant la durée de vie en fatigue des éléments roulants. La composition chimique détermine les phases possibles et la trempabilité, mais la fusion, le forgeage, le traitement thermique et le contrôle des carbures déterminent si le chemin de roulement fini contient des particularités locales dommageables. ![Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement](/images/uploads/494b65e5-79f0-4b53-b098-79bde2caaae4/wiki-inline-a-polished-and-etched-high-carbon-chromium-bearing-steel-microstructure-containi-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/494b65e5-79f0-4b53-b098-79bde2caaae4/wiki-inline-a-polished-and-etched-high-carbon-chromium-bearing-steel-microstructure-containi-2027x2560.avif "Agrandir l'image — Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement")An inclusion can concentrate cyclic stress and initiate a subsurface fatigue crack. Une indentation provoquée par un contaminant dur est une discontinuité géométrique, et non une simple marque esthétique. Chaque élément qui passe heurte son rebord, créant un pic de pression et une zone de déformation plastique. Un dommage de manutention au niveau d’un épaulement, d’un chemin de roulement ou de l’extrémité d’un rouleau peut produire le même effet. Les rayures, les brûlures de rectification, l’ondulation et les bavures saillantes interrompent la géométrie de contact prévue. En présence d’une lubrification en film mince, ces caractéristiques peuvent amorcer une micropiqûration ou des fissures d’origine superficielle ; sous une charge plus élevée, elles peuvent accélérer la propagation d’une fissure jusqu’à former un écaillage plus important. La conséquence pratique est directe : la durée de vie calculée d’un roulement concerne le roulement, son acier, sa géométrie, ses ajustements, sa précharge, son lubrifiant et son historique de contamination considérés comme un seul système de fonctionnement. La modification de l’un quelconque de ces facteurs peut changer le champ de contraintes local tout en laissant la nuance nominale et la dureté inchangées. ## Lubrification, eau et micropiqûres ### Séparation par le film et interaction métal-métal La lubrification ne se contente pas de réduire le frottement entre un élément roulant et une piste. Le film de lubrifiant modifie la manière dont les deux surfaces transmettent la charge. En régime de lubrification élastohydrodynamique complète, la pression dans le film entraîné sépare la plupart des aspérités opposées ; le contact hertzien nominal est donc principalement assuré par le lubrifiant plutôt que par des sommets répétés de la surface en acier. Lorsque l’épaisseur du film diminue par rapport à la rugosité de surface, les contacts entre aspérités supportent une part plus importante de la charge. Leurs contraintes locales peuvent largement dépasser la contrainte calculée pour un contact lisse, même lorsque la charge appliquée au roulement n’a pas changé. Cette distinction est importante, car les calculs de roulements commencent généralement par des hypothèses concernant la géométrie, la charge et les matériaux. La norme ISO 281:2007 spécifie des méthodes de calcul des capacités de charge dynamique et de la durée nominale de vie de base des roulements fabriqués à partir d’aciers à roulements trempés de haute qualité. Sa durée nominale de vie de base est associée à une fiabilité de 90 %. Schaeffler décrit L10 selon les mêmes termes statistiques : il s’agit du nombre de révolutions atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant l’apparition des premiers signes de fatigue du matériau. JTEKT définit de même la capacité de charge dynamique de base comme une mesure de la résistance à la fatigue de roulement, et L10 comme la durée de vie correspondant à une fiabilité de 90 % pour des roulements fabriqués à partir d’aciers à roulements spécifiés ou de matériaux équivalents. Ces définitions ne font pas de la lubrification une simple correction secondaire. Elles distinguent une durée de vie de référence calculée du résultat obtenu en service par un roulement donné dans une machine donnée. Les méthodes de calcul de la durée de vie ajustée tiennent compte de la lubrification, de la contamination, de la fiabilité et de la charge correspondant à la limite de fatigue, car ces facteurs modifient les contraintes qui atteignent réellement la surface et la sous-surface. Un roulement fabriqué en acier à roulements au chrome à haute teneur en carbone, matériau standard identifié par NTN pour les éléments roulants et les pistes, peut néanmoins subir une détérioration précoce si son lubrifiant ne parvient pas à maintenir une séparation suffisante. L’épaisseur du film dépend de la viscosité, de la vitesse, de la charge, de la température, de l’état de surface et de la géométrie du contact. Une hausse de la température réduit la viscosité ; un mouvement oscillant lent peut empêcher la formation d’un film suffisant ; et une charge élevée comprime le film tout en augmentant la contrainte sous-surface. Le désalignement et la charge de bord concentrent davantage la pression dans une petite zone. Si l’on ajoute des particules abrasives, celles-ci peuvent indenter la piste et produire un concentrateur de contraintes permanent qui subsiste après le passage du contaminant. L’eau peut réduire les performances du film lubrifiant, favoriser la corrosion, modifier les réactions des additifs et changer la manière dont les surfaces interagissent. Le contact peut alors passer de manière répétée d’une séparation partielle à un impact direct métal-métal. ### Les micropiqûres comme processus de fatigue de surface Les micropiqûres constituent une forme de fatigue de surface, et non un simple défaut de rugosité ou une tache d’ordre esthétique. Elles apparaissent lorsque des contacts répétés entre aspérités, le glissement, une déformation plastique locale et des contraintes de traction proches de la surface engendrent de très petites fissures. Ces fissures peuvent se propager selon de faibles angles sous la surface et déboucher sur des zones grises ou givrées composées de nombreuses piqûres minuscules. Une surface peut donc sembler seulement légèrement décolorée alors que sa géométrie porteuse et sa population de fissures sont déjà en train de changer. La variable déterminante est l’état combiné de la contrainte de contact et de la séparation par le film. Un faible rapport lambda — rapport entre l’épaisseur du film lubrifiant et la rugosité composite des surfaces — signifie qu’un plus grand nombre d’aspérités interagissent. Le glissement peut ajouter une contrainte de cisaillement au chargement compressif répété imposé par le roulement. Si une aspérité, une indentation ou une inclusion augmente suffisamment la contrainte locale, une fissure peut s’amorcer à la surface ou à proximité, puis se propager sous l’effet de chargements cycliques. Les micropiqûres peuvent coalescer et former des écaillages plus importants, bien que cette transition ne soit ni automatique ni immédiate. C’est pourquoi la dureté nominale ne permet pas, à elle seule, de prédire la durée de vie d’un roulement. La NASA a indiqué en 1987 que la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures influencent tous la durée de vie en fatigue des éléments roulants. L’historique de transformation de l’acier joue également un rôle : la fusion sous double vide et les améliorations connexes de la propreté peuvent avoir une influence sur la durée de vie plus importante qu’une modification modeste de la composition de l’alliage. Dans son traitement des aciers à roulements publié en 2014, l’ASM Handbook identifie la propreté de l’acier et l’absence d’inclusions non métalliques nuisibles comme le facteur le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une durée de vie élevée en fatigue de contact de roulement. Une inclusion et un défaut de surface lié au lubrifiant peuvent interagir. Une inclusion située sous une piste crée une différence de module élastique et une concentration locale des contraintes. Une mauvaise séparation par le film ajoute alors un chargement sévère de la surface au-dessus de cette zone sous-surface. Inversement, une micropiqûre ou une indentation due à un contaminant peut accroître le champ de contraintes autour d’une région d’acier par ailleurs inoffensive. Le processus de fatigue qui en résulte relève du système complet du roulement, et non d’un chiffre de dureté inscrit sur un certificat matière. Les principales familles de matériaux décrites dans la revue de 2011 *Steels for bearings* sont les aciers martensitiques ou bainitiques trempés dans la masse, ainsi que les aciers cémentés dotés d’une couche superficielle dure au-dessus d’un cœur plus tendre. Les deux familles peuvent offrir des performances appropriées en contact de roulement, mais aucune ne dispense d’une transformation maîtrisée, d’un traitement thermique adapté, d’une lubrification suffisante et de conditions de fonctionnement propres. Une surface dure peut résister à l’indentation tout en développant des fissures de fatigue si le contact subit de manière répétée une interaction sévère entre aspérités. ### Contamination par l’eau et importance de la matière blanche d’attaque L’eau est un contaminant actif dans un roulement, et non simplement un diluant qui réduit la viscosité du lubrifiant. Elle peut être présente sous forme d’eau dissoute, d’eau libre, de condensation ou d’émulsion dispersée. Ses effets dépendent de sa concentration, de la température, de la chimie du lubrifiant, de la vitesse de fonctionnement et de l’état de la surface en acier. L’eau peut réduire l’aptitude à former un film, favoriser des réactions liées à l’hydrogène ou à la corrosion, perturber les films d’additifs et contribuer à la formation de zones corrodées ou mécaniquement endommagées à partir desquelles la fatigue peut s’amorcer. L’eau dissoute ou libre dans le lubrifiant a accru les micropiqûres et la fissuration due à la fatigue de contact de roulement, et a été associée à la présence de matière s’attaquant par révélation blanche aux interfaces des fissures. Preliminary evidence Des travaux expérimentaux rapportés en 2024 par l’Office of Scientific and Technical Information du U.S. Department of Energy ont montré que la présence d’eau dissoute ou libre dans les lubrifiants augmentait l’apparition de micropiqûres et de fissures de fatigue de contact de roulement. Ces mêmes travaux ont associé la contamination par l’eau à la présence de matière blanche d’attaque au niveau des interfaces de fissures. Cette observation établit un lien entre l’état du lubrifiant, d’une part, et la détérioration de la surface ainsi que les caractéristiques microstructurales observées autour des fissures de fatigue, d’autre part. Elle ne signifie pas que tout roulement exposé à l’eau tombera en panne selon une voie identique, ni que la matière blanche d’attaque possède une cause universelle unique. La matière blanche d’attaque est une zone microstructurale qui s’attaque plus légèrement que l’acier à roulements environnant, apparaissant souvent autour des fissures ou sous les surfaces endommagées. Des publications ont associé cette matière à une ferrite modifiée, à la dissolution ou à la redistribution des carbures, à une déformation plastique sévère, à des effets au niveau de la pointe des fissures et à des mécanismes liés à l’hydrogène, selon le roulement, le lubrifiant et l’historique de fonctionnement. L’eau peut contribuer à certains de ces processus en modifiant les conditions tribochimiques et les réactions au niveau de la pointe des fissures. D’autres cas peuvent être dus à des contraintes élevées, à une décharge électrique, au glissement, à des défauts du matériau ou à une déformation à long terme. Considérer la matière blanche d’attaque comme la preuve d’un mécanisme de défaillance précis surestime ce que la microscopie seule permet d’établir. La contamination du lubrifiant doit également être distinguée de la propreté de l’acier. L’eau, les particules et les additifs dégradés pénètrent dans le roulement pendant la fabrication, l’assemblage, le stockage ou le fonctionnement ; les inclusions non métalliques sont des caractéristiques propres au procédé d’élaboration et de transformation de l’acier. La conclusion de l’ASM concernant la propreté porte sur ces dernières. Un acier propre peut être endommagé par un lubrifiant contaminé, tandis qu’un lubrifiant fortement filtré ne peut pas éliminer une inclusion déjà incorporée sous la piste. En service, toutefois, les mécanismes peuvent se renforcer mutuellement : une inclusion fournit un concentrateur de contraintes sous-surface, un film affaibli par l’eau accroît le chargement des aspérités et la fissure qui en résulte peut développer de la matière blanche d’attaque à son interface. L’amélioration de la durée de vie exige donc de maîtriser les deux aspects du contact. Le choix du matériau et le procédé de fusion réduisent les sites internes d’amorçage ; le traitement thermique contrôle la martensite, la bainite, l’austénite résiduelle et les carbures ; la filtration et l’étanchéité limitent les particules et l’eau ; et le choix du lubrifiant préserve la séparation par le film à la température et à la vitesse réelles. La durée de vie obtenue est donc le résultat statistique du système, et non la simple conséquence de la désignation de l’alliage ou de la dureté nominale. ## De l’amorçage des fissures à la rupture par contact roulant La fatigue de contact roulant commence sous la surface chargée, à celle-ci ou à proximité, lorsque les contraintes de contact hertzien répétées dépassent la résistance locale de l’acier. Un chemin de roulement peut paraître lisse et intact alors que chaque élément roulant qui le traverse produit une brève impulsion de contrainte intense. La contrainte maximale de cisaillement orthogonale se situe généralement sous la surface, mais sa position et son amplitude varient en fonction de la géométrie du contact, de la répartition de la charge, de la lubrification, de la topographie de surface et de la traction. Un défaut, un amas de carbures, un champ de contraintes résiduelles ou une zone endommagée mécaniquement peut concentrer cette contrainte cyclique au point d’amorcer une fissure. La rupture qui s’ensuit n’est pas déterminée par la seule dureté nominale. L’acier à haute teneur en carbone et au chrome pour roulements, notamment dans les nuances 100Cr6 et AISI 52100 utilisées pour les composants de roulements trempés à cœur, peut présenter des performances en fatigue très différentes selon sa propreté, son traitement thermique, son austénite résiduelle, la morphologie de ses carbures et son historique de mise en œuvre. NTN désigne l’acier à haute teneur en carbone et au chrome pour roulements comme un matériau standard pour les éléments roulants et les chemins de roulement. La revue *Steels for bearings* (2011) distingue les aciers pour roulements en nuances martensitiques ou bainitiques trempées à cœur et en aciers cémentés, dans lesquels une couche superficielle dure est soutenue par un cœur plus tendre. Les deux familles peuvent subir une fatigue de contact roulant, mais leurs profils de contrainte et leurs trajectoires de fissuration diffèrent. ### Amorçage des fissures sous la surface Une inclusion non métallique constitue souvent le concentrateur local de contraintes le plus important dans un acier pour roulements d’apparence propre. Les oxydes, les sulfures, les silicates et les amas complexes d’inclusions diffèrent de la matrice martensitique revenue qui les entoure par leur module d’élasticité, leur forme, leur adhérence et leur aptitude à se déformer. Sous l’effet de contacts roulants répétés, l’interface entre l’inclusion et la matrice peut se décoller, ou une fissure peut se former dans la matrice à côté d’une arête vive de l’inclusion. La fissure se propage alors dans la région soumise à une contrainte cyclique de cisaillement sous la surface. La discussion consacrée aux aciers pour roulements dans l’ASM Handbook, en 2014, identifie la propreté de l’acier et l’absence d’inclusions non métalliques nocives comme le facteur unique le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une longue durée de vie en fatigue de contact roulant. Cela ne signifie pas que chaque inclusion provoque une rupture. La taille, la morphologie, l’emplacement, l’orientation, la distance par rapport à la zone de contrainte maximale et l’historique local des contraintes jouent tous un rôle. Une petite inclusion arrondie peut être inoffensive là où un oxyde anguleux plus volumineux se trouve directement sous la piste de contact. La microstructure détermine la manière dont l’acier réagit autour de ce défaut. Les travaux de la NASA de 1987 sur la fatigue des roulements indiquent que la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface occupée par les carbures influencent la durée de vie en fatigue des éléments roulants. Une ségrégation excessive des carbures peut fournir des trajectoires de fissuration ; une teneur inadaptée en austénite résiduelle peut modifier la stabilité dimensionnelle et le comportement de transformation ; et des grains grossiers ou un revenu inadéquat peuvent réduire la résistance aux dommages cycliques. Le procédé de fabrication peut être plus déterminant qu’une simple comparaison de la composition chimique. La fusion sous double vide, par exemple, peut améliorer les performances en fatigue en réduisant les inclusions nocives, même lorsque l’analyse nominale de l’alliage varie peu. La première fissure constitue donc un événement local au sein d’un système matériel chargé. Elle peut rester dormante pendant de nombreux cycles, se propager sur une courte distance parallèlement au chemin de roulement ou s’orienter vers la surface lorsque le champ de contraintes environnant évolue. Une valeur de dureté mesurée sur une section accessible ne permet pas de déterminer laquelle de ces situations est présente. ### Propagation des fissures et écaillage Lorsqu’une fissure sous la surface atteint une taille critique, le roulement et le glissement répétés la font progresser à travers le matériau sollicité. Les lèvres de la fissure peuvent se frotter, s’oxyder ou accumuler des débris d’usure. Des ramifications peuvent se développer lorsque la fissure rencontre des carbures, des joints de grains d’austénite primaire, des inclusions ou des régions présentant des contraintes résiduelles différentes. Finalement, une ramification rejoint la surface du chemin de roulement, ou une fissure proche de la surface isole un fragment d’acier. L’écaillage est l’événement d’enlèvement de matière qui en résulte : une partie du chemin de roulement ou de l’élément roulant durci se détache, laissant un cratère dont le fond est fracturé et dont les bords sont relevés ou déplacés. Le fragment détaché n’est pas simplement une tache ou une marque polie. Il s’agit d’un fragment d’acier pour roulements généré par la fatigue, et le cratère accroît les chocs, les vibrations et les contraintes locales lorsque les éléments roulants suivants le franchissent. Les particules détachées peuvent également circuler dans le lubrifiant, produisant des indentations secondaires et des concentrateurs de contraintes supplémentaires. Cette progression explique pourquoi les dommages visibles peuvent être beaucoup plus importants que le défaut initiateur. Une inclusion microscopique peut amorcer une fissure, tandis que l’écaillage final enlève une zone de l’ordre du millimètre après la ramification de la fissure et des sollicitations répétées de la surface. La charge peut rester inférieure à la limite d’élasticité statique du composant massif, alors que les contraintes cycliques locales au niveau du défaut et de la pointe de fissure peuvent néanmoins provoquer une fatigue. La terminologie relative à la durée de vie des roulements doit être distinguée de cette séquence métallurgique. La norme ISO 281:2007 spécifie les méthodes de détermination des capacités de charge dynamique et de la durée de vie nominale de base des roulements fabriqués à partir d’un acier pour roulements durci de haute qualité ; sa durée de vie nominale de base correspond à une fiabilité de 90 %. BS ISO 281:2007 en constitue l’adoption britannique. Schaeffler définit L10 comme le nombre de tours atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant les premières manifestations de fatigue du matériau, et JTEKT utilise la même base de 90 % pour les roulements fabriqués à partir d’aciers pour roulements spécifiés ou de matériaux équivalents. L10 est une référence statistique, et non la garantie que chaque roulement s’écaillera à ce stade. La durée de vie corrigée peut intégrer la lubrification, la contamination, la fiabilité et la charge correspondant à la limite de fatigue. Elle décrit un système en fonctionnement, et non la composition chimique considérée isolément. ### Fatigue d’origine superficielle et micropiqûres Les dommages d’origine superficielle commencent là où le contact est exposé aux conditions de lubrification et de manutention. Si le film lubrifiant est trop mince par rapport à la rugosité combinée des surfaces, les aspérités opposées entrent en contact de manière répétée. Une faible viscosité, une alimentation insuffisante en lubrifiant, une température excessive, le glissement, la contamination par l’eau et une composition chimique inadéquate du lubrifiant peuvent tous réduire la protection assurée par le film. Une indentation due à une particule dure ou à un choc lors du montage produit un concentrateur de contraintes plus aigu que ne le laisserait supposer sa faible profondeur. Les débris traversant le contact peuvent indenter un chemin de roulement et former un bourrelet autour de l’indentation, amorçant des fissures sur son bord. Les micropiqûres sont une forme précoce de fatigue superficielle caractérisée par de nombreuses petites cavités peu profondes et un aspect gris ou givré. Elles sont associées à l’interaction des aspérités, à une déformation plastique locale, à des fissures d’origine superficielle et à la perte du matériau proche de la surface. Les micropiqûres ne sont pas équivalentes à un écaillage constitué. Un écaillage est un cratère de fatigue plus important, formé après que la propagation d’une fissure a détaché un fragment cohérent ; les micropiqûres consistent généralement en de fines pertes de matière réparties sur la surface, avant qu’un détachement de cette ampleur ne se produise. Si la lubrification et le chargement restent défavorables, les micropiqûres peuvent se rejoindre, s’approfondir et évoluer vers une fatigue d’origine superficielle plus sévère. L’eau peut aggraver les deux mécanismes. Une étude du U.S. Department of Energy publiée en 2024 a rapporté que l’eau dissoute ou libre présente dans le lubrifiant augmentait les micropiqûres et la fissuration due à la fatigue de contact roulant, et qu’elle était associée à la présence de matière blanche d’attaque aux interfaces des fissures. La matière blanche d’attaque est une caractéristique métallurgique et ne constitue pas à elle seule un diagnostic : sa présence doit être interprétée en tenant compte de la géométrie des fissures, de la déformation locale, de l’historique thermique et des conditions de fonctionnement. L’examen après rupture doit donc mettre en relation plusieurs observations. L’emplacement de la fracture indique si le processus initiateur était sous la surface ou relié à la surface ; la métallographie révèle la martensite, la bainite, l’austénite résiduelle, les carbures, la décarburation et les régions de matière blanche d’attaque ; l’analyse des inclusions établit si une particule non métallique se trouve à l’origine ; et les relevés relatifs au lubrifiant, aux joints d’étanchéité, à la contamination et aux charges permettent de vérifier l’explication liée au fonctionnement. La contrainte de contact, le défaut d’alignement, le cycle de service et la traction peuvent expliquer pourquoi un défaut est devenu actif. La cause matérielle d’une défaillance ne peut pas être attribuée à un roulement à partir de la seule photographie d’un écaillage ou d’une mesure de dureté. ## Voies d’élaboration et contrôle qualité ASTM STP 1327 organise la production des aciers pour roulements autour de quatre étapes liées entre elles : élaboration de l’acier, trempe à cœur, durcissement superficiel et modification de surface. Cette séquence est plus utile que de considérer une désignation de nuance comme une description complète de l’aptitude à la fatigue. Un roulement peut être fabriqué à partir d’un acier au chrome à haute teneur en carbone reconnu et pourtant présenter une faible durée de vie en fatigue de contact de roulement si sa population d’inclusions, sa structure de carbures, sa réponse au traitement thermique ou sa géométrie finale ne sont pas maîtrisées. La revue de la NASA publiée en 1987 aboutit à la même conclusion pratique : la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures influencent tous la durée de vie en fatigue des éléments roulants, tandis que des différences de procédé, comme la fusion sous double vide, peuvent avoir davantage d’importance que de modestes variations de la composition chimique. ### Élaboration primaire et secondaire de l’acier #### Séquence de traitement et de contrôle qualité 1. **Fusion et affinage** Contrôler la composition, les gaz, les interactions avec le laitier et la formation d’inclusions. 2. **Coulée et refusion** Limiter la ségrégation et les discontinuités internes grâce à une solidification contrôlée ou à une refusion. 3. **Forgeage ou laminage** Affiner la structure issue de la coulée et contrôler la déformation, la structure en bandes et la taille des grains. 4. **Traitement thermique** Établir la martensite, la bainite, les carbures, l’austénite résiduelle et les contraintes résiduelles. 5. **Inspection** Vérifier la propreté, la dureté, la microstructure, la géométrie, l’état de surface et la profondeur de cémentation. La voie commence par la sélection des charges, la fusion et l’affinage. L’acier à roulements au chrome à haute teneur en carbone est un matériau standard pour les éléments roulants et les chemins de roulement, comme le décrit NTN, tandis que d’autres applications utilisent des aciers alliés trempés à cœur, des nuances bainitiques ou des aciers destinés à la cémentation. La désignation courante AISI 52100, généralement écrite ASTM A295 Grade 52100 pour les barres et fils de qualité roulement, ne garantit pas une qualité interne identique d’une coulée ou d’un producteur à l’autre. Les limites chimiques définissent une plage de composition ; elles ne définissent ni le nombre, ni la taille, ni la morphologie, ni la répartition des inclusions non métalliques. L’élaboration primaire établit la composition globale et élimine une partie de l’oxygène dissous, du soufre et des autres éléments indésirables. La métallurgie secondaire contrôle ensuite les paramètres qui deviennent critiques en contact de roulement : la pratique de désoxydation, le traitement sous vide, les réactions laitier-métal, la température, l’agitation, la modification des inclusions et les conditions de coulée. Le traitement au calcium, par exemple, peut modifier la forme des inclusions, mais une inclusion moins anguleuse n’est pas automatiquement inoffensive dans un chemin de roulement fortement sollicité. Sa composition chimique, sa taille, sa position par rapport au contact et sa liaison avec la matrice environnante restent déterminantes. La propreté de l’acier exige une maîtrise de l’ensemble de la voie d’élaboration. La réoxydation pendant le transfert, le laitier entraîné, la contamination par la poudre de coulée, de mauvaises pratiques au répartiteur et la ségrégation sur ligne médiane peuvent introduire des défauts qu’un essai final de dureté ne détectera pas. La refusion sous laitier électroconducteur, la refusion à l’arc sous vide et d’autres voies d’affinage peuvent réduire certaines populations de défauts, mais chacune comporte des limites de procédé et doit être évaluée d’après le matériau obtenu, et non d’après le seul nom du procédé. Le forgeage ou le laminage ultérieur désagrège la structure coulée et redistribue la ségrégation ; le taux de réduction, la température de déformation et l’historique de refroidissement influencent la ségrégation en bandes des carbures, la taille des grains et la détectabilité par ultrasons. Un certificat indiquant les teneurs en carbone, chrome, manganèse, silicium, phosphore et soufre établit donc uniquement la conformité chimique. Il n’établit pas, à lui seul, les performances en fatigue de contact de roulement. Le traitement consacré aux aciers pour roulements dans l’ASM Handbook de 2014 identifie la propreté et l’absence d’inclusions non métalliques nocives comme le facteur le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une longue durée de vie en fatigue de contact de roulement. Cette hiérarchie met en garde contre le classement des aciers sur la seule base de leur teneur nominale en carbone ou en chrome. ### Concepts de fusion et de refusion sous vide Les procédés sous vide agissent sur les gaz et les inclusions, mais la mention « fondu sous vide » ne correspond pas à un niveau de qualité unique. La fusion par induction sous vide (VIM) fond et affine la charge sous pression réduite, ce qui contribue à éliminer l’hydrogène dissous et à limiter la contamination atmosphérique, tout en permettant un contrôle étroit de la composition. La refusion à l’arc sous vide (VAR) refond ensuite une électrode consommable sous vide. La solidification contrôlée peut réduire la ségrégation et les vides et produire un lingot plus propre et plus homogène. La voie VIM-VAR est souvent appelée fusion sous double vide. L’objectif n’est pas simplement d’augmenter la dureté. Une teneur réduite en hydrogène diminue le risque d’écaillage et de fissuration interne ; un meilleur contrôle de la solidification réduit la ségrégation nocive ; et une moindre quantité d’inclusions réduit les concentrations locales de contraintes sous l’effet de contacts hertziens répétés. Les résultats de la NASA publiés en 1987 sont importants à cet égard, car ils placent l’historique d’élaboration au même niveau que la chimie, voire parfois devant celle-ci, parmi les déterminants de la durée de vie. Deux coulées relevant de la même spécification nominale peuvent réagir différemment à la globulisation, à l’austénitisation, à la trempe et au revenu, parce que leur ségrégation initiale et leur population de carbures diffèrent. La refusion comporte également des compromis. La qualité de l’électrode, la stabilité de l’arc, la vitesse de fusion et la géométrie du lingot influencent la ségrégation et les défauts. Une coulée refondue doit toujours faire l’objet d’un forgeage, d’un traitement thermique et d’un contrôle. Le traitement sous vide ne peut pas corriger une microstructure finale défavorable ni éliminer une brûlure de rectification sur un chemin de roulement. Il ne supprime pas non plus la nécessité de maîtriser la lubrification et la contamination en service. Des travaux expérimentaux rapportés par le U.S. Department of Energy en 2024 ont montré que l’eau dissoute ou libre dans le lubrifiant augmentait la micropiqûration et la fissuration en fatigue de contact de roulement et était associée à la présence de matière à attaque blanche aux interfaces des fissures. L’élaboration du matériau et les conditions de fonctionnement se rejoignent au niveau du contact. Après l’élaboration de l’acier, la distinction établie par ASTM STP 1327 entre trempe à cœur, durcissement superficiel et modification de surface aide à définir les contrôles nécessaires. Les aciers martensitiques ou bainitiques trempés à cœur présentent une section durcie dans toute la pièce fonctionnelle. Les aciers destinés à la cémentation offrent une surface dure enrichie en carbone au-dessus d’un cœur plus doux et plus tenace, ce qui peut améliorer la résistance à l’empreinte et soutenir les contraintes sous-superficielles. La modification de surface peut comprendre une rectification contrôlée, une superfinition, une nitruration ou d’autres traitements qui modifient la rugosité, les contraintes résiduelles ou la dureté proche de la surface. Ces voies modifient le champ de contraintes ; elles ne rendent pas les inclusions négligeables. ### Contrôle de la propreté et de la microstructure La métallographie relie la voie d’élaboration à la structure qui supporte effectivement la charge. Une coupe polie et attaquée peut révéler la taille des grains d’austénite antérieure, la martensite ou la bainite, les réseaux de carbures, la structure en bandes, la décarburation, les fissures de trempe et les constituants anormaux. La microscopie optique est couramment complétée par la microscopie électronique à balayage et l’analyse dispersive en énergie lorsqu’il est nécessaire d’identifier l’origine d’une inclusion ou d’une fissure. La question n’est pas seulement de savoir si l’acier est dur, mais si sa matrice et ses phases secondaires constituent une structure stable et résistante à la fissuration. La cotation des inclusions mesure la quantité, le type, la taille et la répartition des matières non métalliques selon une méthode comparative spécifiée, telle que ASTM E45. Les cotations des inclusions d’oxydes, de sulfures, de silicates et des inclusions globulaires peuvent révéler des différences que la composition globale dissimule. L’analyse automatisée des inclusions peut fournir en plus des données sur la distribution des tailles et des cartographies d’inclusions, tandis que le contrôle ultrasonore peut détecter des discontinuités internes plus importantes sur un volume de production. Une cotation est un résultat d’échantillonnage, et non une prédiction directe de la durée de vie : une inclusion rare située près de la zone de contrainte de cisaillement sous-superficielle maximale peut dominer la défaillance d’un roulement, même lorsque la cotation moyenne semble acceptable. L’évaluation des carbures est tout aussi nécessaire dans les aciers au chrome à haute teneur en carbone. Des réseaux de carbures excessifs, des carbures non dissous grossiers, une structure en bandes des carbures ou une mauvaise globulisation peuvent favoriser la fissuration, réduire la ténacité et produire une réponse irrégulière lors de l’austénitisation. Les mesures doivent porter sur la taille des carbures, leur nombre, leur fraction surfacique et leur répartition. La NASA identifie précisément ces quatre caractéristiques — ainsi que la dureté, l’austénite résiduelle et la taille des grains — comme des variables influençant la durée de vie en fatigue des éléments roulants. La mesure de la dureté vérifie la réponse au traitement thermique au moyen d’une échelle et de points de mesure spécifiés, plutôt que d’une seule lecture pratique effectuée en surface. L’austénite résiduelle nécessite une mesure distincte, couramment réalisée par diffraction des rayons X, car deux pièces présentant la même dureté Rockwell peuvent contenir des quantités différentes d’austénite résiduelle, susceptibles de se transformer ou de provoquer des variations dimensionnelles en service. Le contrôle dimensionnel vérifie ensuite la géométrie du chemin de roulement, la circularité, l’ondulation, le faux-rond, la profondeur de cémentation, les dommages de rectification et la rugosité de surface. La géométrie du contact et la répartition de la charge déterminent les contraintes calculées ; un acier conforme chimiquement mais présentant une mauvaise géométrie ne constitue donc pas un système de fatigue conforme. ISO 281:2007 calcule les capacités de charge dynamiques et la durée nominale de vie des roulements fabriqués à partir d’un acier pour roulements trempé de haute qualité ; sa durée nominale de vie de base correspond à une fiabilité de 90 %. Schaeffler et JTEKT définissent donc statistiquement L10 comme le nombre de tours atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant les premières manifestations de fatigue du matériau. La durée de vie corrigée tient en outre compte de la lubrification, de la contamination, de la fiabilité et de la charge correspondant à la limite de fatigue. Le contrôle qualité établit l’aptitude du matériau. Il ne transforme pas un certificat chimique en garantie de L10. ## Aciers de roulement trempés à cœur et aciers de roulement cémentés Les aciers de roulement sont souvent répartis en deux architectures de matériau : les aciers trempés à cœur, dont la section utile est dure depuis la surface de contact vers l’intérieur, et les aciers cémentés, dont la couche extérieure dure est soutenue par un cœur plus tenace et moins carboné. La distinction ne se résume pas à un choix entre « dur » et « tendre ». Elle détermine la manière dont sont gérées les contraintes de contact, les contraintes de cisaillement sous-surfaciques, les charges d’impact, la propagation des fissures et les déformations liées à la fabrication. Aucune de ces architectures ne garantit à elle seule une durée de vie donnée pour un roulement. La norme ISO 281:2007 définit des méthodes de calcul des capacités de charge dynamique et de la durée nominale de vie des roulements fabriqués à partir d’un acier de roulement trempé de haute qualité ; sa durée nominale de vie correspond à une fiabilité de 90 %. Schaeffler et JTEKT définissent également L10 comme le nombre de révolutions atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant l’apparition des premiers signes de fatigue du matériau. Ce résultat statistique décrit une population de roulements, et non une valeur de dureté. ### Dureté uniforme dans toute la section Les aciers de roulement trempés à cœur sont généralement des nuances au chrome à haute teneur en carbone, telles que l’AISI/SAE 52100, également désignée 100Cr6 dans l’EN ISO 683-17 et SUJ2 dans la JIS G 4805. NTN identifie l’acier au chrome à haute teneur en carbone comme un matériau standard pour les éléments roulants et les chemins de roulement. Après austénitisation, trempe et revenu, l’acier développe une structure principalement martensitique contenant des carbures finement répartis. La trempe à cœur bainitique constitue une autre voie utilisée pour certaines conceptions de roulements et certains traitements thermiques, avec un cycle de transformation choisi afin d’obtenir la résistance, la stabilité dimensionnelle et les performances en fatigue requises. Le principal avantage est la continuité. Le chemin de roulement ou l’élément roulant ne passe pas brutalement d’une couche cémentée dure à un intérieur nettement plus tendre. Les contraintes sous-surfaciques rencontrent donc un matériau présentant une résistance globalement similaire dans toute la zone chargée, ce qui convient à de nombreux contacts de roulement conventionnels. Cela est particulièrement utile lorsque les contraintes orthogonales et de cisaillement maximales se situent sous la surface, comme c’est le cas dans les contacts hertziens. Toute la section peut supporter les charges de compression et de cisaillement, tandis que la matrice résiste à la déformation plastique autour des carbures et d’autres concentrateurs locaux de contraintes. Une « dureté uniforme » ne signifie pas une microstructure uniforme. Une bague de roulement en 52100 peut présenter, dans sa section, des variations de martensite, d’austénite résiduelle, de taille des carbures, de répartition des carbures et de taille des grains d’austénite primaire. La réponse au traitement thermique dépend également de l’épaisseur de la section et des conditions de refroidissement. En 1987, la NASA a indiqué que la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures influençaient tous la durée de vie en fatigue des éléments roulants. Une quantité excessive d’austénite résiduelle peut se transformer en service et contribuer à une variation dimensionnelle ; une taille excessive des carbures ou une ségrégation peuvent créer des sites locaux d’amorçage de fissures, même lorsque la dureté mesurée se situe dans les limites de la spécification. La propreté métallurgique est tout aussi déterminante. L’ASM Handbook, 2014, identifie la propreté de l’acier et l’absence d’inclusions non métalliques nuisibles comme le facteur le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une durée de vie élevée en fatigue de contact de roulement. Une inclusion située près de la zone de contrainte de cisaillement maximale peut produire un champ local de contraintes de traction, amorcer une fissure et dominer la distribution des défaillances. La fusion sous vide, la refusion sous laitier électroconducteur, le contrôle des inclusions et un forgeage soigneusement maîtrisé peuvent donc modifier davantage les performances en fatigue qu’une variation modeste de la composition nominale de l’alliage. Les essais de la NASA ont également montré que les procédés, notamment la fusion sous double vide, pouvaient fortement influer sur la durée de vie. La trempe à cœur présente des limites. Une grande bague ou un composant fortement chargé peut développer des gradients de dureté, des contraintes résiduelles et des déformations lors de la trempe. La résistance requise de la section peut également réduire la tolérance aux impacts ou aux dommages sur les arêtes, en particulier lorsque la géométrie crée une concentration de contraintes. Un relevé de dureté, une mesure de l’austénite résiduelle, un examen métallographique et un contrôle dimensionnel sont plus instructifs qu’une seule mesure de la dureté superficielle. ### Surface durcie sur un cœur plus tenace Les aciers de roulement cémentés concentrent la dureté maximale là où se produit le contact de roulement et conservent en dessous un cœur plus tenace et moins fortement carburé. Les nuances de cémentation courantes comprennent le 16MnCr5 selon l’EN ISO 683-3, ainsi que les SAE 5120 et SAE 8620 ; la sélection spécifique pour les roulements dépend néanmoins du produit concerné, du plan et des exigences de qualité applicables. La cémentation ou la carbonitruration enrichit la surface en carbone, puis une trempe et un revenu produisent une couche martensitique. Le cœur, moins riche en carbone, peut ainsi rester davantage tolérant aux impacts, à la flexion et aux charges favorisant la propagation des fissures qu’une section entièrement trempée. #### Avertissement concernant la profondeur de cémentation La profondeur de cémentation doit être choisie à partir de la distribution réelle des contraintes de contact et validée par un profil de dureté. Une valeur générique de profondeur de cémentation ne peut pas établir la sécurité des performances en fatigue. La couche cémentée doit être suffisamment profonde pour contenir le champ important de contraintes de contact dans les conditions de charge, de géométrie et de service spécifiées. Il n’existe pas de valeur universelle de profondeur de cémentation qui soit défendable. Une couche trop peu profonde peut permettre à la zone de fort cisaillement d’atteindre la transition entre la couche et le cœur, où la dureté, les contraintes résiduelles et la microstructure varient. Une couche plus profonde accroît la durée du traitement et peut augmenter la déformation, l’austénite résiduelle ou les fissurations liées à la trempe si le traitement est mal maîtrisé. La profondeur de cémentation doit donc être définie à partir de profils de dureté, de critères de profondeur efficace, de la distribution calculée des contraintes et d’une validation sous des charges représentatives — et non à partir d’une valeur générique copiée d’un autre roulement. La zone de transition est aussi importante que les valeurs nominales de surface et de cœur. Elle ne doit pas présenter de faiblesse brutale due à une précipitation excessive de carbures, à des gradients de carbone, à des produits de transformation tendres ou à des contraintes résiduelles défavorables. Un profil correctement conçu peut placer une contrainte résiduelle de compression près de la surface, favoriser la résistance à l’ouverture des fissures et conserver un cœur capable d’absorber l’énergie d’impact. Mais le cœur ne remplace pas une conception correcte du contact. Si une fissure s’amorce au niveau d’une inclusion non métallique, d’une brûlure de rectification, d’une indentation de surface ou d’une trace de contamination du lubrifiant, la ténacité du cœur peut ne pas empêcher la fatigue de contact de roulement. La cémentation introduit également un problème dimensionnel. La couche enrichie en carbone, la transformation lors de la trempe et le revenu ultérieur peuvent provoquer des variations de diamètre, de circularité et de profil du chemin de roulement. La déformation est particulièrement importante pour les bagues minces, les grandes bagues, les contacts bombés et les composants nécessitant un contrôle strict de la précharge ou du jeu. Les surépaisseurs d’usinage, la conception des montages, le contrôle de la trempe et la rectification finale doivent être planifiés conjointement. L’architecture cémentée n’a une valeur mécanique que si le roulement fini conserve la géométrie prévue. ### Logique de sélection pour les charges d’impact et de fatigue Le choix dépend du chemin de charge, et non d’un classement général des types d’acier. Un acier martensitique ou bainitique trempé à cœur convient souvent lorsque la géométrie du contact est bien maîtrisée, que les impacts sont limités, que les dimensions de la section permettent un traitement thermique fiable et que l’exigence principale est la résistance aux contraintes hertziennes répétées. Il peut fournir une structure porteuse constante et un concept de matériau plus simple. Cela ne le rend pas immunisé contre les inclusions, les défaillances de lubrification ou la contamination. La cémentation devient intéressante lorsqu’une bague de roulement ou un élément roulant doit combiner une couche de contact très résistante avec une meilleure tolérance aux impacts, aux chocs, à la flexion ou à la propagation des ruptures dans la partie intérieure. Les roulements de transmissions automobiles, les grands roulements et les applications soumises à des surcharges transitoires peuvent tirer avantage de cette séparation des fonctions, à condition que la profondeur de cémentation, la zone de transition et les propriétés du cœur correspondent au champ réel des contraintes. Un cœur tenace ne peut pas compenser un chemin de roulement sous-dimensionné, et une couche dure ne peut pas garantir la durée de vie en fatigue si sa propreté métallurgique ou sa microstructure sont médiocres. La géométrie détermine l’emplacement des concentrations de contraintes. La courbure du chemin de roulement, la conformité, les charges sur les arêtes, le contact avec les épaulements, le biais des rouleaux, la précharge et la répartition des charges peuvent faire de la limite entre la couche et le cœur une zone soit suffisamment éloignée de la région critique, soit gravement vulnérable. La lubrification et la contamination modifient ensuite le processus d’endommagement : une étude du U.S. Department of Energy publiée en 2024 a indiqué que l’eau dissoute ou libre augmentait la micropiqûration et la fissuration due à la fatigue de contact de roulement, et qu’elle était associée à la présence de matière blanche par attaque chimique aux interfaces des fissures. Il faut donc distinguer les capacités du matériau de la durée de vie calculée. L’ISO 281:2007, la BS ISO 281:2007, Schaeffler et JTEKT fournissent le cadre de calcul de la durée nominale ; la durée de vie ajustée prend en outre en compte la lubrification, la contamination, la fiabilité et la charge correspondant à la limite de fatigue. La bonne architecture est celle dont le profil de contraintes, la propreté métallurgique, la microstructure, la maîtrise des déformations et la tolérance à la rupture correspondent à la géométrie et aux conditions de service du roulement. La dureté nominale, à elle seule, ne permet pas de prendre cette décision. ## Aciers pour roulements aéronautiques, résistants à la corrosion et à surface modifiée L’ASTM STP 1327 place les aciers aéronautiques, les aciers résistants à la corrosion et la modification de surface aux côtés des sujets centraux que sont la propreté des roulements, l’élaboration de l’acier, la trempe à cœur, la cémentation, la durée de vie des roulements et la fatigue de contact de roulement. Ce regroupement est utile, car ces matériaux ne sont pas simplement des versions plus résistantes des aciers conventionnels pour roulements. Chacun répond à une contrainte de service susceptible de modifier le mécanisme de défaillance, le procédé de fabrication ou le calcul de la durée de vie. ### Considérations relatives aux aciers pour roulements aéronautiques Les roulements aéronautiques peuvent être soumis à des vitesses élevées, à une faible alimentation en lubrifiant, à de fortes variations de température, aux vibrations, au vide ou à un accès restreint pour la maintenance. Le matériau doit donc conserver une dureté et une stabilité dimensionnelle suffisantes, tout en résistant à la fatigue de contact de roulement dans une géométrie de contact étroitement maîtrisée. Ces exigences peuvent être contradictoires. Une aptitude à fonctionner à température élevée peut nécessiter une composition d’alliage et un état de revenu qui réduisent la dureté normalement associée aux aciers pour roulements à température ambiante ; les conceptions à faible densité ou résistantes à la corrosion peuvent imposer d’autres compromis concernant le module d’élasticité, la population de carbures ou le traitement thermique. L’acier conventionnel pour roulements à haute teneur en carbone et en chrome reste un matériau de référence. NTN identifie l’acier pour roulements à haute teneur en carbone et en chrome comme un matériau standard pour les éléments roulants et les chemins de roulement, tandis que les aciers martensitiques ou bainitiques trempés à cœur constituent l’une des principales familles d’aciers pour roulements identifiées dans la revue de 2011 *Steels for bearings*. Les aciers cémentés constituent l’autre grande famille : une couche superficielle dure supporte le contact, tandis qu’un cœur plus tenace et plus tendre la soutient. Le choix ne se fait pas sur la seule base de la dureté nominale. Pour les nuances aéronautiques, la question pertinente est de savoir comment la microstructure complète se comporte sur toute la profondeur soumise aux contraintes. En 1987, la NASA a indiqué que la dureté de l’acier pour roulements, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures influencent tous la durée de vie en fatigue des éléments roulants. L’austénite résiduelle peut se transformer sous l’effet des contraintes de service, ce qui modifie les dimensions et les contraintes résiduelles. Des carbures grossiers, mal répartis ou associés à des inclusions nocives peuvent agir comme des concentrateurs de contraintes. Des grains fins et un contrôle approprié des carbures sont bénéfiques, mais aucun de ces éléments ne garantit une immunité à la fatigue. L’élaboration de l’acier peut avoir davantage d’importance qu’une légère variation de la composition nominale de l’alliage. Les procédés sous vide, notamment la fusion sous double vide dans les applications où celle-ci est spécifiée, réduisent la population d’inclusions non métalliques dommageables et peuvent améliorer les performances en fatigue. En 2014, l’ASM Handbook a indiqué que la propreté de l’acier et l’absence d’inclusions non métalliques nocives constituent, après l’obtention d’une microstructure appropriée, le facteur le plus important pour atteindre une durée de vie élevée en fatigue de contact de roulement. Cette conclusion revêt une importance particulière dans les applications aéronautiques, où une petite inclusion peut déterminer la durée de vie d’une pièce ayant par ailleurs subi un traitement thermique soigneusement maîtrisé. La durée de vie calculée conserve une signification statistique définie. L’ISO 281:2007 fournit des méthodes pour déterminer les capacités de charge dynamique et la durée nominale de base des roulements fabriqués à partir d’un acier pour roulements trempé de haute qualité ; sa durée nominale de base correspond à une fiabilité de 90 %. La BS ISO 281:2007 en constitue l’adoption britannique. En 2024, Schaeffler définit L10 comme le nombre de révolutions atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant les premières indications de fatigue du matériau. JTEKT retient la même base de 90 % pour les roulements fabriqués à partir d’aciers pour roulements spécifiés ou de matériaux équivalents. L’aptitude d’un matériau aéronautique ne transforme pas L10 en intervalle de maintenance garanti. La durée de vie corrigée doit tenir compte de la lubrification, de la contamination, de la fiabilité et de la charge correspondant à la limite de fatigue, ainsi que de la charge, de la vitesse et de la contrainte de contact. ### Aciers pour roulements résistants à la corrosion L’acier pour roulements résistant à la corrosion est destiné à résister à l’eau, à la condensation, aux fluides de procédé et aux atmosphères agressives, mais la résistance à la corrosion consomme généralement une partie de l’espace de composition disponible pour obtenir une dureté élevée et une bonne résistance à la fatigue. Une nuance inoxydable riche en chrome pour roulements, telle que l’AISI 440C, désignée [X105CrMo17](/fr/matériaux/numéro-de-matériau/1.4125 " — composition, correspondances et normes") dans l’EN 10088-3, peut être durcie pour obtenir une structure adaptée aux roulements ; toutefois, ses performances dépendent de la qualité de la fusion, du contrôle des carbures, du traitement thermique, de l’état de surface et de l’environnement corrosif réel. Le terme « inoxydable » décrit une résistance à un environnement spécifié, et non une absence de corrosion dans toutes les conditions de fonctionnement d’un roulement. Les mêmes variables du système restent déterminantes. Les chlorures peuvent provoquer des piqûres de corrosion localisées, et une piqûre constitue un grave concentrateur de contraintes de surface dans un contact de roulement. La présence d’eau dans le lubrifiant constitue une autre voie d’endommagement. Une étude de 2024 indexée par l’Office of Scientific and Technical Information du U.S. Department of Energy a montré que l’eau dissoute ou libre augmentait la micropiqûration et la fissuration due à la fatigue de contact de roulement, et qu’elle était associée à la présence de matière blanchement attaquée aux interfaces des fissures. Un alliage résistant à la corrosion ne peut pas compenser un lubrifiant contaminé, une étanchéité insuffisante, un état de surface médiocre ou une contrainte de contact excessive. Le fonctionnement sous vide et à température élevée crée des compromis connexes. Sous vide, le choix du lubrifiant et le dégazage peuvent gouverner le système plus fortement que la désignation de l’acier. À température élevée, la stabilité au revenu, les variations dimensionnelles, la transformation de l’austénite résiduelle et la dégradation du lubrifiant deviennent des préoccupations centrales. Une nuance présentant une dureté suffisante à température ambiante peut perdre une part utile de sa résistance à la fatigue après une exposition prolongée si sa microstructure évolue. À l’inverse, un alliage choisi pour sa stabilité en température peut nécessiter des charges de contact différentes ou un autre modèle de durée de vie. La sélection du matériau doit donc préciser la plage de température, l’atmosphère, le lubrifiant, la pression de contact et la tolérance dimensionnelle, plutôt que de se limiter à désigner un acier inoxydable ou un acier aéronautique. ### Modification de surface et modification des modes de défaillance La modification de surface change l’état de la zone proche de la surface : dureté, contraintes résiduelles, frottement, rugosité, résistance à l’usure ou comportement face à la corrosion. La cémentation modifie le profil de dureté et place un cœur tenace sous la couche durcie. La nitruration introduit une couche durcie enrichie en azote. D’autres traitements peuvent modifier la chimie de surface ou produire une couche déposée, mais leur effet doit être décrit au moyen de mesures de l’épaisseur, de l’adhérence, de la rugosité, des contraintes résiduelles et de la compatibilité avec le lubrifiant. Ces traitements peuvent déplacer le site critique de défaillance. Une surface plus dure peut réduire la déformation plastique et certaines formes d’usure ; toutefois, une couche composée fragile, une brûlure de rectification, une interface de mauvaise qualité ou une contrainte résiduelle de traction peuvent amorcer une fissuration. Une surface modifiée peut également changer la traction et le glissement, ce qui modifie la génération de chaleur ou le comportement en matière de micropiqûration. Si une couche s’use jusqu’à disparaître, le substrat mis à nu peut présenter une dureté et un comportement face à la corrosion différents de ceux de la surface traitée. Le traitement de surface ne constitue donc pas automatiquement un substitut à un acier propre ou à un traitement thermique correct. Une inclusion située sous la zone traitée reste une inclusion ; un chemin de roulement déformé produit toujours une géométrie de contact incorrecte ; et un lubrifiant contaminé par l’eau peut toujours favoriser la micropiqûration et la fatigue de contact de roulement. La durée nominale de base de l’ISO 281:2007 ne doit pas être interprétée comme un crédit universel accordé à un revêtement ou à un traitement. L’affirmation défendable est plus limitée : un procédé de surface spécifié peut améliorer un mécanisme d’endommagement particulier dans des conditions validées de charge, de lubrification, de température et de contamination, tout en introduisant ou en révélant un autre mode de défaillance. ## Comment diagnostiquer une défaillance due à la fatigue d’un roulement Une investigation de défaillance d’un roulement doit commencer avant que celui-ci ne soit nettoyé, mis en rotation ou découpé. Préserver l’ensemble dans son état initial, photographier sa position et repérer le sens de la charge, le sens de rotation ainsi que les emplacements de la bague intérieure, de la bague extérieure, des éléments roulants, de la cage, des joints et du lubrifiant. Un roulement déplacé peut perdre les éléments permettant de distinguer un événement survenu en service d’une fissure d’origine métallurgique. ![Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement](/images/uploads/cf5686d7-2f32-4018-9b0d-8b3d226c9724/wiki-inline-a-bearing-failure-investigation-setup-with-a-damaged-steel-bearing-microscope-se-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/cf5686d7-2f32-4018-9b0d-8b3d226c9724/wiki-inline-a-bearing-failure-investigation-setup-with-a-damaged-steel-bearing-microscope-se-1920x1094.avif "Agrandir l'image — Aciers pour roulements et fatigue de contact de roulement")Failure analysis traces the origin and growth path of damage rather than relying on hardness alone. Catégories d’éléments probants permettant de distinguer les défauts du matériau des causes liées au fonctionnement. | Domaine d’investigation | Éléments probants à recueillir | Ce que cela peut aider à distinguer | |---|---|---| | Cartographie des dommages | Écaillages, micropiqûres, creux, étalement de matière, fissures et position de la zone chargée | Dommages amorcés en surface, fatigue sous la surface, contamination ou défaut d’alignement | | Lubrifiant et contamination | Eau, dénombrement des particules, viscosité, oxydation, métaux d’usure, joints d’étanchéité | Défaillance de la lubrification, dommages dus aux débris ou détérioration associée à l’eau | | Géométrie et installation | Jeu, précharge, ajustements, faux-rond, épaulements, alignement | Charge de bord, concentration de charge, dommages de montage ou déformation | | Métallographie | Matrice, inclusions, carbures, austénite résiduelle, profondeur de cémentation | Amorçage de fissures d’origine matérielle ou anomalies du traitement thermique | La première question n’est pas : « L’acier était-il suffisamment dur ? » C’est : « Où les dommages ont-ils commencé, comment se sont-ils propagés et quelles contraintes y ont agi ? » La fatigue de contact de roulement est le résultat d’un système. La géométrie du contact, la répartition de la charge, la lubrification, la contamination, l’alignement, l’état de surface, le traitement thermique, les inclusions et l’historique de fabrication peuvent produire des marques similaires. ISO 281:2007 et son adoption britannique, BS ISO 281:2007, définissent les capacités de charge dynamique calculées et la durée nominale de vie des roulements fabriqués à partir d’un acier à roulements trempé de haute qualité. La durée nominale de vie est associée à une fiabilité de 90 %, soit L10. La description publiée par Schaeffler en 2024 définit de manière similaire L10 comme le nombre de tours atteint ou dépassé par 90 % de roulements apparemment identiques avant les premières manifestations de fatigue du matériau. Cette définition statistique ne signifie pas que chaque roulement tombera en panne au même kilométrage calculé et n’identifie pas non plus la cause d’une défaillance individuelle. ### Éléments visuels et dimensionnels Consigner la configuration des dommages à faible grossissement avant d’éliminer les dépôts. Reporter les écaillages, micropiqûres, étalements de matière, grippages, décolorations, empreintes, fissures, écaillages de surface, dommages de cage et marques de faux-brinelling sur un dessin ou dans un système de coordonnées. Indiquer si les dommages sont centrés dans la zone chargée, concentrés sur un seul épaulement, répétés à l’espacement des rouleaux, limités à un seul bord axial ou répartis sur l’ensemble de la piste. La configuration en dit souvent davantage que la plus grande piqûre. Mesurer le diamètre de la piste, la circularité, l’ondulation, la géométrie des épaulements, la variation du diamètre des rouleaux, les dimensions des flasques, le jeu radial et axial interne ainsi que la précharge, le cas échéant. Comparer les mesures au plan et aux tolérances du fabricant du roulement. Vérifier les ajustements arbre-logement, les épaulements d’appui, le faux-rond, la perpendicularité et les signes de fretting. Une piste usée ou endommagée sur un seul bord peut indiquer un défaut d’alignement ou une déformation au montage plutôt qu’une résistance insuffisante de l’acier. Examiner la surface avec un éclairage oblique et un grossissement étalonné. Des empreintes nettes, approximativement circulaires, avec des lèvres surélevées, indiquent généralement le passage de débris durs dans le contact. Une empreinte peut devenir un concentrateur local de contraintes et générer ultérieurement un écaillage de fatigue, faisant ressembler un dommage dû à des débris à une défaillance initiée par une inclusion. La répétition d’empreintes à intervalles réguliers correspondant aux éléments roulants conforte l’hypothèse d’une contamination, mais une seule empreinte importante peut résulter d’un dommage au montage ou d’un impact alors que le roulement était immobile. Prélever du lubrifiant dans le roulement, le logement, le filtre, le bouchon de vidange et le bouchon magnétique. Consigner la classe de viscosité, le paquet d’additifs, l’intervalle de vidange, la quantité, la température de fonctionnement et la pratique de renouvellement. Lorsque les échantillons le permettent, rechercher la concentration particulaire, l’eau, l’oxydation, la variation de viscosité et les métaux d’usure. Consigner la vitesse, le spectre de charge, les événements de choc, le cycle de fonctionnement, la température, la date de montage, les heures de service ainsi que toute surcharge ou tout grippage. La contamination par l’eau mérite une attention particulière : des travaux expérimentaux publiés par le U.S. Department of Energy en 2024 ont associé l’eau dissoute ou libre à une augmentation des micropiqûres et des fissures de fatigue de contact de roulement, y compris la présence de matière blanche attaquable aux interfaces des fissures. Inspecter les joints, les reniflards, les flasques de protection, les voies d’évacuation de la graisse et les raccords du logement. La pénétration de saletés, la condensation et les opérations de lavage peuvent avoir plus d’importance que la spécification nominale du lubrifiant. Un film lubrifiant trop mince pour le contact, en raison d’une faible viscosité, d’une température élevée, d’un apport insuffisant ou d’une vitesse excessive, accroît l’interaction entre aspérités et la fissuration initiée en surface. Une surface endommagée peut alors dissimuler le problème initial de lubrification. ### Examen métallographique et fractographique Après la documentation, découper la région affectée en traversant l’origine apparente de la fissure ainsi qu’une zone de comparaison non endommagée. Ne pas éliminer l’origine lors du nettoyage par meulage. Utiliser d’abord une méthode de nettoyage aux solvants à faible effort mécanique, conserver les particules détachées pour analyse et établir un plan de découpe qui préserve la surface et le trajet de la fissure en surface et en sous-surface. Examiner les coupes transversales polies et attaquées par microscopie optique et, si nécessaire, par microscopie électronique à balayage avec spectroscopie à dispersion d’énergie. Déterminer si le roulement est constitué d’un acier martensitique ou bainitique trempé dans la masse, ou d’un acier cémenté comportant une couche superficielle plus dure au-dessus d’un cœur plus tendre. NTN identifie l’« acier à roulements au chrome fortement carboné » comme un matériau standard pour les éléments roulants et les pistes ; les spécifications courantes comprennent SAE 52100 et ses équivalents nationaux, mais le certificat réel de production et la désignation du plan doivent servir de référence pour l’évaluation. Mesurer la profondeur de cémentation, le gradient de dureté, la dureté du cœur, l’austénite résiduelle, la taille des anciens grains d’austénite, la taille et la répartition des carbures, la décarburation et la ségrégation. La NASA a indiqué en 1987 que la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures influencent la durée de vie en fatigue des éléments roulants. Ces variables constituent des éléments de preuve, mais ne permettent pas à elles seules d’établir un diagnostic de conformité ou de non-conformité. Un profil de dureté peut révéler un traitement thermique incorrect, mais une valeur de dureté satisfaisante ne peut pas prouver que l’acier était propre ni que le roulement a été soumis à des conditions de service acceptables. Localiser les inclusions non métalliques par rapport à l’origine de la fissure. Utiliser la métallographie et, si nécessaire, une analyse automatisée des inclusions ou la microscopie électronique à balayage avec spectroscopie à dispersion d’énergie afin de distinguer les oxydes, sulfures, silicates, nitrures, carbures et particules liées au procédé. L’ouvrage *ASM Handbook* (ASM International, 2014) identifie la propreté et l’absence d’inclusions non métalliques nocives comme le facteur le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une longue durée de vie en fatigue de contact de roulement. Une fissure en sous-surface rayonnant à partir d’une inclusion importante ou anguleuse, avec une propagation par fatigue vers la piste, étaye un mécanisme d’origine métallurgique. Cela n’exclut toutefois pas une surcharge de contact ou une mauvaise lubrification ayant augmenté la contrainte locale. La fractographie doit permettre de distinguer une progression régulière par fatigue, des faces de fissure frottées, des facettes fragiles, une surcharge ductile et une déchirure adhésive. Les fissures initiées en surface sont souvent reliées à des micropiqûres, des empreintes ou de la matière étalée. Les fissures en sous-surface peuvent se former autour d’inclusions ou d’amas de carbures. De la matière blanche attaquable peut apparaître le long de certaines interfaces de fissures, notamment dans des défaillances associées à l’eau, mais sa seule présence ne permet pas d’identifier l’eau comme cause initiatrice. ### Distinguer les défauts métallurgiques des causes liées au fonctionnement Répartir les observations en trois colonnes : faits établis, mécanismes plausibles et hypothèses non vérifiées. Par exemple, « écaillage sur le bord de la zone chargée » est une observation ; « défaut d’alignement » est un mécanisme ; « la déformation du logement en est la cause » est une hypothèse tant que le faux-rond, l’ajustement et les dossiers de montage ne l’ont pas étayée. Les éléments en faveur d’une origine métallurgique deviennent plus probants lorsque plusieurs constatations concordent : une inclusion à l’origine de la fissure, une teneur anormale en inclusions, une ségrégation, des réseaux de carbures, une profondeur de cémentation incorrecte ou un état de traitement thermique hors spécification. L’historique de fabrication est important. L’étude *Aciers pour roulements* (2011) distingue les aciers martensitiques ou bainitiques trempés dans la masse des nuances cémentées et souligne le rôle des inclusions dans l’amorçage de la fatigue. La NASA a également indiqué que des procédés tels que la fusion sous double vide peuvent avoir une influence sur la durée de vie en fatigue plus importante que la seule composition chimique. Les éléments en faveur d’une origine liée au fonctionnement deviennent plus probants lorsque les dommages concordent avec l’historique de service : champs d’empreintes correspondant à des débris identifiés, charge sur le bord associée à un défaut d’alignement mesurable, manque de lubrifiant associé à des surfaces étalées ou surchauffées, ou exposition à l’eau associée à des micropiqûres et à des réseaux de fissures. Plusieurs causes peuvent coexister. Un acier propre peut se rompre sous l’effet d’une contrainte de contact excessive, tandis qu’un roulement exempt d’inclusions peut être endommagé par une contamination avant l’apparition d’une fatigue classique. Enfin, comparer la défaillance observée à la durée de vie calculée, mais ne pas considérer le calcul comme une conclusion médico-légale. JTEKT indique que la capacité de charge dynamique de base représente la résistance à la fatigue de roulement et que L10 correspond à une fiabilité de 90 % pour des roulements fabriqués à partir d’aciers à roulements spécifiés ou de matériaux équivalents. La durée de vie ajustée intègre des effets tels que la lubrification, la contamination, la fiabilité et la charge correspondant à la limite de fatigue. Une photographie, une seule valeur de dureté ou un calcul de L10 ne peuvent pas établir la cause fondamentale. La conclusion doit s’appuyer sur la cartographie des dommages, l’historique de fonctionnement, les contrôles dimensionnels, la microstructure observée sur coupe, la morphologie des fissures et les éléments démontrant que les explications concurrentes ont été vérifiées. ## Un Cadre Fondé sur les Normes pour Comparer les Aciers de Roulement ### Ce que l’ISO 281 permet ou ne permet pas de comparer L’ISO 281:2007 fournit un cadre de calcul pour les capacités de charge dynamique des roulements et leur durée nominale de vie de base. Sa durée nominale de vie de base, L10, correspond au nombre de tours que 90 % de roulements apparemment identiques devraient atteindre ou dépasser avant les premières manifestations de fatigue du matériau. La norme BS ISO 281:2007 est l’adoption britannique de cette même norme. Il s’agit d’une définition statistique, et non d’une garantie que chaque roulement atteindra le nombre de tours indiqué. Le calcul commence par la géométrie du roulement, la charge, la vitesse et la capacité de charge dynamique de base applicable. Il est donc utile pour comparer deux conceptions de roulements dans des conditions de fonctionnement définies. JTEKT décrit la capacité de charge dynamique de base comme une mesure de la résistance à la fatigue de roulement, tandis que Schaeffler définit L10 selon le même niveau de fiabilité de 90 %. Aucune de ces descriptions ne signifie qu’un roulement fabriqué dans un acier plus dur possède automatiquement une durée de vie calculée supérieure. La capacité dépend du système de roulement et des hypothèses sous-jacentes au calcul. L’ISO 281:2007 n’est pas non plus une norme de qualification des matériaux. Elle ne certifie pas un cycle de traitement thermique, ne définit pas une population acceptable d’inclusions, ne vérifie pas la stabilité de l’austénite résiduelle et ne prouve pas qu’une filière sidérurgique particulière résistera aux dommages en service. Son calcul de la durée de vie de base est associé aux roulements fabriqués à partir d’un acier de roulement trempé de haute qualité, mais la « haute qualité » doit être démontrée par des contrôles des matériaux et des inspections, et non déduite de la seule nuance nominale. La durée nominale de vie corrigée rend cette distinction plus claire. Selon la méthode de calcul et sa mise en œuvre par le fabricant, les facteurs de correction tiennent compte de la lubrification, de la contamination, de la fiabilité et de la charge correspondant à la limite de fatigue. Ces facteurs prennent en compte des conditions de service que la valeur de base L10 ne représente pas entièrement. La géométrie du contact et la répartition de la charge sont également importantes : la mise en charge des bords, le défaut d’alignement et la répartition irrégulière de la charge entre les éléments roulants peuvent accroître la contrainte locale même lorsque la charge du catalogue reste inchangée. L’épaisseur du film lubrifiant, la viscosité, la chimie des additifs, les débris et l’eau déterminent si la contrainte sous-superficielle calculée agit dans un contact relativement propre ou sur une surface endommagée par la micropiqûration. Une équation standard de durée de vie ne peut pas distinguer deux coulées d’un acier nominalement identique, à moins que leurs états métallurgiques différents soient intégrés aux données d’entrée ou aux éléments de qualification. Cette limitation est déterminante. L’ISO 281 compare la capacité calculée des roulements selon un modèle défini ; elle ne classe pas toutes les conditions possibles d’un acier en service. ### Spécifications des matériaux et preuves de performance Une spécification de matériau établit ce qu’un acier est censé être. Elle peut définir la composition chimique, les variations admissibles, les exigences de propreté, les propriétés mécaniques, le traitement thermique ou les méthodes d’inspection. Elle n’établit pas automatiquement la durée de vie en fatigue de contact de roulement dans une conception de roulement donnée. Les matériaux couramment utilisés pour les roulements illustrent ce point. NTN identifie l’acier de roulement au chrome à haute teneur en carbone comme un matériau standard pour les éléments roulants et les chemins de roulement. Une nuance trempée à cœur telle que l’AISI 52100, également désignée par 100Cr6 dans les systèmes européens liés à l’EN et à l’ISO, appartient à la famille martensitique trempée à cœur lorsqu’elle est traitée selon l’état habituellement utilisé pour les roulements. D’autres aciers pour roulements sont des nuances trempées à cœur bainitiques, tandis que les [aciers de cémentation](/fr/catégories/aciers-de-cémentation "aciers de cémentation") produisent une couche superficielle dure sur un cœur plus tenace et plus doux. La revue de 2011 *Steels for bearings* distingue ces deux grandes familles et souligne que les inclusions peuvent amorcer des fissures de fatigue de contact de roulement. Ces désignations ne décrivent pas la microstructure complète. La dureté n’est qu’une mesure parmi d’autres. Le rapport de la NASA publié en 1987 a identifié la dureté, l’austénite résiduelle, la taille des grains ainsi que la taille, le nombre et la surface des carbures comme des facteurs influençant la durée de vie en fatigue des éléments roulants. L’austénite résiduelle peut se transformer en service, ce qui modifie les dimensions et les contraintes résiduelles. Des carbures excessifs ou mal répartis peuvent créer des concentrations de contraintes, tandis qu’une dissolution inadéquate des carbures peut modifier la quantité de carbone disponible dans la matrice. La taille des grains, le revenu de la martensite et la morphologie bainitique influencent également la réponse locale sous un contact de roulement. La propreté de l’acier mérite une attention particulière. Dans son chapitre de 2014 consacré aux aciers pour roulements, l’ASM Handbook identifie la propreté et l’absence d’inclusions non métalliques nocives comme le facteur le plus important, après l’obtention d’une microstructure appropriée, pour atteindre une durée de vie élevée en fatigue de contact de roulement. Une inclusion d’oxyde, de sulfure ou une inclusion complexe peut agir comme un concentrateur de contraintes à une profondeur atteinte par la contrainte de cisaillement alternée maximale. Sa taille, sa forme, sa composition, sa position et la microstructure environnante influencent toutes la possibilité d’amorçage d’une fissure. Un tableau de composition chimique ne peut pas révéler cette répartition. Le procédé d’élaboration peut donc avoir davantage d’importance qu’une légère modification de l’alliage. La fusion sous vide, la refusion sous laitier électroconducteur, la double fusion sous vide, la réduction par forgeage, le recuit de sphéroïdisation, la cémentation, la trempe et le revenu influencent chacun la population de défauts ou la microstructure. La NASA a indiqué que des procédés tels que la double fusion sous vide pouvaient avoir une influence plus forte sur la durée de vie en fatigue que la seule composition chimique. L’ASTM STP 1327 replace ces questions dans le contexte technique plus large de la propreté, de la fabrication de l’acier, de la trempe à cœur, de la cémentation, des aciers aéronautiques, des aciers résistants à la corrosion, de la modification des surfaces et de la durée de vie des roulements. Les preuves de performance doivent correspondre à l’utilisation envisagée. Un essai de fatigue de contact de roulement réalisé en laboratoire sur des éprouvettes polies peut isoler la qualité de l’acier, tandis qu’un roulement en service subit des charges variables, des défauts d’alignement, la dégradation du lubrifiant, des débris et des dommages dus au montage. Les résultats expérimentaux sont précieux, mais la géométrie de l’éprouvette, le niveau de contrainte, la fréquence, le lubrifiant et le critère de défaillance doivent être précisés avant de transposer le résultat à un roulement de production. La contamination par l’eau constitue un avertissement clair : des travaux expérimentaux rapportés par l’intermédiaire du U.S. Department of Energy en 2024 ont montré que l’eau dissoute ou libre augmentait la micropiqûration et la fissuration due à la fatigue de contact de roulement, et qu’elle était associée à de la matière blanche d’attaque aux interfaces des fissures. Ce résultat ne peut pas être réduit à une comparaison de dureté. ### Une Liste de Contrôle Technique Pratique #### Liste de contrôle pour la comparaison des aciers à roulements - **Nuance et norme** Consigner la désignation exacte, la norme applicable, la forme du produit, le fournisseur, la coulée et le lot. - **Voie d’élaboration de l’acier** Documenter la fusion à l’air, la fusion par induction sous vide (VIM), la refusion à l’arc sous vide (VAR), la refusion sous laitier électroconducteur ou le traitement sous double vide. - **Propreté** Demander les indices d’inclusions, la méthode d’essai, le type d’inclusion, sa taille et sa répartition. - **Traitement thermique** Consigner l’austénitisation, la trempe, le revenu, l’austénite résiduelle, la taille des grains et l’état des carbures. - **Surface de contact finie** Vérifier la rugosité, l’ondulation, les dommages de rectification, la circularité, les contraintes résiduelles et la géométrie des bords. - **Conditions de fonctionnement** Comparer la charge, la vitesse, la température, la pellicule de lubrifiant, l’eau, les particules, le jeu, la précharge et l’alignement. Une comparaison défendable doit consigner la désignation exacte de la nuance et la norme de matériau applicable, et non simplement les termes « acier pour roulements » ou « acier au chrome ». Il convient d’indiquer s’il s’agit d’un AISI 52100, d’un 100Cr6, d’une nuance de cémentation spécifiée ou d’une autre désignation, et d’identifier la forme du produit ainsi que la traçabilité de la coulée ou du lot chez le fournisseur. Il faut consigner le procédé d’élaboration de l’acier : fusion conventionnelle à l’air, fusion par induction sous vide, refusion sous laitier électroconducteur, refusion à l’arc sous vide ou procédé sous double vide. Il convient de demander les évaluations des inclusions et la méthode d’inspection, notamment les plus grandes inclusions observées, leur type et leur répartition. Les affirmations relatives à la propreté qui ne précisent pas de méthode d’essai sont difficiles à comparer. Le dossier de traitement thermique doit inclure la température et la durée d’austénitisation, le milieu de trempe, le cycle de revenu, les conditions de transformation bainitique lorsqu’elles sont applicables, ainsi que la dureté mesurée sur toute la section. Il faut y ajouter la teneur en austénite résiduelle et sa méthode de mesure, la taille des grains, la description de la martensite ou de la bainite, ainsi que la taille, le nombre, la fraction surfacique et la répartition des carbures. Pour les composants cémentés, il convient de consigner la profondeur de cémentation ou de carbonitruration, la profondeur de couche efficace, le profil du carbone en surface, la dureté du cœur et le profil de transition. Il faut ensuite examiner le contact après fabrication. L’état de surface, l’ondulation, les brûlures de rectification, les contraintes résiduelles, la circularité, la forme du chemin de roulement et la géométrie des bords peuvent modifier la traction et la contrainte locales. Le dossier de fonctionnement doit préciser le spectre de charge, la vitesse, la température, le régime de lubrification, la viscosité, le vieillissement du lubrifiant, la chimie des additifs, la teneur en eau et la contamination solide. Il doit également inclure les dispositifs de filtration et les contrôles de propreté, plutôt que de considérer le seul type de lubrifiant comme suffisant. Enfin, il faut vérifier la répartition de la charge et les conditions d’application : charges radiales et axiales, précharge ou jeu, défaut d’alignement, ajustements de l’arbre et du logement, méthode de montage, vibrations et surcharges transitoires. Il convient de comparer le calcul indiqué selon l’ISO 281:2007 avec les hypothèses de durée de vie corrigée ainsi qu’avec les résultats d’essais spécifiques au roulement ou les données de terrain. Les normes de calcul, les normes relatives aux matériaux, les manuels techniques et les études expérimentales répondent à des questions différentes. L’ISO 281 fournit un cadre de calcul de la durée de vie ; les normes relatives aux matériaux définissent ou contrôlent l’état de l’acier ; les manuels techniques structurent les connaissances établies en métallurgie et les mécanismes de défaillance ; les expériences évaluent des matériaux et des variables de service particuliers. Aucun de ces éléments ne remplace les autres. Une analyse fiable de la durée de vie des roulements exige de relier les calculs fondés sur les normes à une métallurgie vérifiée et aux conditions réelles de service. ## Références 1. \[1\] NASA. [Bearing Steels](https://ntrs.nasa.gov/citations/19870002560). NASA Technical Reports Server, 1987. [](/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement#wiki-cite-ref-1) https://ntrs.nasa.gov/citations/19870002560 2. \[2\] U.S. Department of Energy, Office of Scientific and Technical Information. [Effects of Water Contamination on Micropitting and Rolling Contact Fatigue of Bearing Steels](https://www.osti.gov/biblio/2423201-effects-water-contamination-micropitting-rolling-contact-fatigue-bearing-steels). OSTI, 2024. [](/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement#wiki-cite-ref-2) https://www.osti.gov/biblio/2423201-effects-water-contamination-micropitting-rolling-contact-fatigue-bearing-steels 3. \[3\] ASM International. [Bearing Steels](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/16/chapter-abstract/246185/Bearing-Steels?redirectedFrom=fulltext). ASM Handbook, 2014. [](/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement#wiki-cite-ref-3) https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/16/chapter-abstract/246185/Bearing-Steels?redirectedFrom=fulltext 4. \[4\] International Organization for Standardization. [ISO 281:2007 Rolling bearings — Dynamic load ratings and rating life](https://www.iso.org/standard/38102.html). International Standard, 2007. [](/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement#wiki-cite-ref-4) https://www.iso.org/standard/38102.html 5. \[5\] NTN. [Bearing Steel Technical Documentation](https://ntnamericas.com/wp-content/uploads/2020/04/9012E.pdf). NTN Americas, 2020. [](/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement#wiki-cite-ref-5) https://ntnamericas.com/wp-content/uploads/2020/04/9012E.pdf 6. \[6\] Schaeffler. [Load Carrying Capacity and Life](https://medias.schaeffler.us/en/knowledge-center/rolling-bearings/load-carrying-capacity-and-life). Schaeffler Knowledge Center, 2024. [](/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement#wiki-cite-ref-6) https://medias.schaeffler.us/en/knowledge-center/rolling-bearings/load-carrying-capacity-and-life 7. \[7\] JTEKT. [Bearing Knowledge: Basic Dynamic Load Rating and Rating Life](https://koyo.jtekt.co.jp/en/support/bearing-knowledge/5-2000.html). JTEKT Bearing Knowledge, 2024. [](/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-pour-roulements-et-fatigue-de-contact-de-roulement#wiki-cite-ref-7) https://koyo.jtekt.co.jp/en/support/bearing-knowledge/5-2000.html **Acier à roulements en bref** Nuance courante AISI 52100 Désignation européenne 100Cr6 Famille de matériaux typique Acier au chrome à haute teneur en carbone Mode principal de fatigue Fatigue de contact de roulement sous la surface [Retour à Familles d’aciers](/fr/wiki/familles-d-aciers "Familles d’aciers — Steel Wiki")