Contexte global
Simulation numérique des traitements thermochimiques : applications industrielles

La tenue de nombreuses pièces mécaniques passe par l’application d’un traitement thermique ou thermochimique qui permet d’obtenir de bonnes propriétés mécaniques (tenue en statique et fatigue, résistance à l’usure...) avec un acier qui peut être non allié ou faiblement allié. Les mécanismes qui conduisent à ces résultats sont multiples et complexes, en particulier pour les traitements thermochimiques de type cémentation ou carbonitruration :

• l’enrichissement superficiel en carbone et azote en phase austénitique permet d’augmenter superficiellement les propriétés mécaniques de l’acier ;

• le refroidissement rapide (trempe) qui suit la phase d’enrichissement permet de transformer l’austénite en martensite ou bainite ; la trempabilité de l’acier étant proportionnelle au pourcentage de carbone, on obtient naturellement une microstructure plus dure en surface qu’à cœur ;

• les gradients thermiques, chimiques et métallurgiques génèrent, suite à la trempe, des contraintes résiduelles de compression en surface.

Les hautes propriétés et les contraintes résiduelles de compression ainsi obtenues en surface compensent les contraintes en service, elles-mêmes généralement plus élevées en surface.

Toutefois, la complexité des phénomènes physiques mis en jeu lors d’un traitement thermochimique nécessite de maîtriser un grand nombre de paramètres pour obtenir les gains attendus, tout en contrôlant les effets néfastes comme les distorsions. Les paramètres d’enrichissement et surtout les paramètres de trempe sont de loin les plus critiques.

La mise au point d’un nouveau traitement thermochimique ou l’application à une nouvelle pièce passe habituellement par une phase d’essais qui peut être longue et coûteuse. Les progrès récents de la simulation numérique permettent aujourd’hui de recourir au calcul pour simplifier cette étape de mise au point ou pour optimiser les traitements existants.

Nous présentons dans ce dossier plusieurs applications industrielles de la simulation numérique de ces procédés avec les outils et les méthodologies les plus avancées à ce jour chez PSA Peugeot Citroën. En particulier, les phénomènes d’écoulements du fluide de trempe, dont les effets sur le refroidissement des pièces sont souvent estimés sur des cas complexes,...