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Article

1 - CONTEXTE GLOBAL

2 - CONTEXTE INDUSTRIEL

3 - MÉTHODOLOGIE DE SIMULATION NUMÉRIQUE DES PROCÉDÉS DE TRAITEMENTS THERMIQUES

4 - APPLICATIONS AUX TRAITEMENTS THERMOCHIMIQUES DES PIGNONS DE BOÎTE DE VITESSE

5 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : IN209 v1

Méthodologie de simulation numérique des procédés de traitements thermiques
Simulation numérique des traitements thermochimiques : applications industrielles

Auteur(s) : Philippe BRISTIEL, Ngadia Taha NIANE

Relu et validé le 11 déc. 2019

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RÉSUMÉ

Les traitements thermochimiques sont couramment employés par l’industrie automobile pour améliorer les propriétés mécaniques de pièces en acier. Ils génèrent en contrepartie des distorsions qu’il est important de maîtriser. La simulation numérique permet d’étudier ces traitements en prenant en compte les nombreux paramètres influents. Un état de l’art de la simulation numérique de ces procédés est présenté avec une approche multi-physique couplant la mécanique des fluides et la mécanique des solides. Deux applications portant sur des pièces de boîtes de vitesses illustrent le propos.

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ABSTRACT

Digital simulation of thermochemical treatments: industrial applications

Thermochemical treatments are commonly used in the automobile industry in order to improve the mechanical properties of steel parts. However, they generate distortions that are important to master. Digital simulation enables the study of these treatments by taking into account the numerous parameters involved. The state-of-the-art of the digital simulation of these processes is presented with a multi-physics approach combining fluid and solid mechanics. Two applications on gearbox parts illustrate the subject matter.

Auteur(s)

  • Philippe BRISTIEL : Docteur ENSAM - Pilote Métier Simulation des procédés de Soudage et Traitements Thermiques chez PSA Peugeot Citroën

  • Ngadia Taha NIANE : Docteur INPL - Spécialiste Techniques Numériques – Modélisation Numérique chez PSA Peugeot Citroën

INTRODUCTION

Résumé :

Les traitements thermochimiques sont couramment employés par l’industrie automobile pour améliorer les propriétés mécaniques de pièces en acier. Ils génèrent en contrepartie des distorsions qu’il est important de maîtriser. La simulation numérique permet d’étudier ces traitements en prenant en compte les nombreux paramètres influents. Nous présentons dans cet article un état de l’art de la simulation numérique de ces procédés, avec une approche multi-physique couplant la mécanique des fluides et la mécanique des solides, et à travers deux applications portant sur des pièces de boîtes de vitesses.

Thermochemical treatments are commonly used by the automotive industry to improve the mechanical properties of steel parts. However, they generate distortions that are important to master. Numerical simulation provides assistance to the study of these treatments, taking into account many parameters which influence the results. We present in this case the state of the art of numerical simulation for these processes, with a multi-physics approach combining fluid mechanics and solid mechanics and referring to multiple applications on gearbox part.

Mots-clés :

Traitements Thermochimiques, Cémentation, Carbonitruration, Simulation Numérique, Métallurgie, Trempe, Sysweld, Fluent, Fire

Keywords :

Chemical Heat treatments, Carburizing, Carbonitriding, Numerical Simulation, Metallurgy, Quenching, Sysweld, Fluent, Fire

Points clés

Domaine :

Simulation numérique des procédés de fabrication

Degré de diffusion de la technologie : Emergence | Croissance | Maturité

Technologies impliquées : Calcul par la méthode des éléments finis, calcul par la méthode des volumes finis, traitements thermochimiques (cémentation, carbonitruration) de pièces en acier

Domaines d’application : Procédés de traitements thermochimiques

Principaux acteurs français :

Pôles de compétitivité :

Centres de compétence :

Industriels : ECM Technologies, SERTHEL, ESI, TANSVALOR

Autres acteurs dans le monde :

Contact :

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KEYWORDS

Numerical simulation   |   metallurgy   |   chemical heat treatments   |   carburizing   |   carbonitriding   |   quenching   |   sysweld   |   fluent   |   fire

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in209


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3. Méthodologie de simulation numérique des procédés de traitements thermiques

3.1 Rappels sur les traitements thermiques

Comme précisé au § 1, nous n’évoquerons ici que les applications sur des pièces en acier.

Un traitement thermique est constitué d’un chauffage suivi d’un refroidissement, généralement contrôlé, ayant pour but de modifier la microstructure du matériau et de générer ou modifier l’état des contraintes résiduelles. L’évolution de la microstructure s’accompagne systématiquement d’une évolution des propriétés de l’acier, notamment de sa limite d’élasticité. Cette évolution, ajoutée aux contraintes résiduelles, aura un impact sur la tenue mécanique de la pièce.

Lorsque la température de chauffage d’un traitement thermique est inférieure à la température de début d’austénitisation de l’acier (Ac1), il s’agit d’un revenu. Dans le cas où elle est supérieure à Ac1, on parle de recuit ou de trempe selon les conditions de refroidissement.

La figure 3 représente schématiquement les différentes étapes d’un traitement thermique de trempe ou de durcissement, ayant pour but d’améliorer les propriétés mécaniques tout en générant des contraintes résiduelles :

  • un chauffage, qui modifie la microstructure initiale de l’acier (généralement Ferrite/Perlite) pour aboutir à une microstructure austénitique ; ce chauffage peut être superficiel (par exemple chauffage par induction) ou plutôt homogène s’il s’agit d’un chauffage au four ;

  • un refroidissement rapide (trempe) qui permet d’obtenir une microstructure martensitique, au moins superficiellement ;

  • un revenu, facultatif, qui transforme la martensite en martensite revenue.

L’intérêt d’obtenir au final...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DENIS (S.) -   Prévision des contraintes résiduelles induites par traitement thermique et thermochimique  -  Revue La revue de métallurgie – pages 157-175 (Février 1997).

  • (2) - DA COSTA (F.) -   Comparaison de différents types de refroidissement après traitements thermochimiques et influence sur les caractéristiques métallurgiques et mécaniques  -  Revue Traitement Thermique n° 357 – pages 24-27 (2004).

  • (3) - LEE (S.-J.), LEE (Y.-K.) -   Finite element simulation of quench distortion in a low-alloy steel incorporating transformation kinetics  -  Revue Acta Materiala n° 56 – pages 1482-1490 (2008).

  • (4) - DENIS (S.), ARCHAMBAULT (P.), AUBRY (C.), MEY (A.), LOUIN (J.C.), SIMON (A.) -   Modelling of phase transformation kinetics in steels and coupling with heat treatment residual stress predictions  -  J. Phys. France 9 – pages 323-332 (1999).

  • (5) - LEBLOND (J.-B.), DEVAUX (J.) -   A new kinetic model for anisothermal metallurgical transformations in steels including effect of austenite grain size  -  Revue...

1 Outils logiciels

JMatPro : Logiciel de calcul de propriétés (thermiques, métallurgiques, mécaniques...) des aciers, fontes, alliages d'aluminium, titane... Site internet de l'éditeur, Sente Software :

http://www.sentesoftware.co.uk/jmatpro.aspx

HAUT DE PAGE

2 Sites Internet

http://hts.asminternational.org : Site de l'ASM International / Heat Treating Society, avec livres, articles et informations diverses sur les traitements thermiques, les aciers et le soudage

http://pastel.paristech.org/ : Bibliothèque virtuelle des thèses soutenues dans les grandes écoles de Paris. Plusieurs thèses sur la simulation des traitements thermiques et thermochimiques sont disponibles en téléchargement

http://www.matweb.com : Base de données en ligne sur les propriétés des matériaux

http://mits.nims.go.jp/db_top_eng.htm : Base de données en ligne sur les propriétés des matériaux, dont diagrammes TRC

http://www.cemef.mines-paristech.fr : Site du CEMEF (CEntre de Mise En Forme des matériaux, École des Mines). Thèses dans le domaine du soudage et des traitements thermiques, moyens expérimentaux

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