Bibliographie & annexes
Présentation
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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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)
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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
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.
Traitements Thermochimiques, Cémentation, Carbonitruration, Simulation Numérique, Métallurgie, Trempe, Sysweld, Fluent, Fire
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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MOTS-CLÉS
Simulation numérique métallurgie traitements thermochimiques cémentation carbonitruration trempe sysweld fluent fire
KEYWORDS
Numerical simulation | metallurgy | chemical heat treatments | carburizing | carbonitriding | quenching | sysweld | fluent | fire
DOI (Digital Object Identifier)
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Contexte industriel1. Contexte global
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,...
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Contexte global
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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
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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