Modélisation magnétothermique, métallurgique et mécanique de la trempe superficielle après chauffage par induction appliquée aux vilebrequins

par Philippe Bristiel

Thèse de doctorat en Sciences appliquées. Métaux, métallurgie

Sous la direction de Franck Girot.

Soutenue en 2002

à Paris, ENSAM .


  • Résumé

    Cette étude a permis la mise au point d'une démarche et d'un outil dédiés à la simulation numérique de la trempe superficielle après chauffage par induction appliquée aux vilebrequins. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'un projet de recherche et développement du fabricant de vilebrequins Krupp Mavilor, avec pour objectif d'optimiser le traitement thermique vis à vis de la tenue en fatigue des pièces. Une part importante de l'étude a été consacrée à la modélisation du comportement métallurgique de l'acier dans le cas de cinétiques thermiques rapides. Après une étude pardilatométrie, les transformations de phase ont été modélisées en tenant compte de l'influence de l'homogénéité de l'austénite sur le comportement du matériau au moment de la trempe. Afin de tenir compte des particularités du traitement thermique appliqué aux vilebrequins, un code - métier s'appuyant sur trois logiciels de calcul par éléments fuùs - FLUX2D pour les parties électromagnétique et thermique, METAL7 pour la métallurgie et MSC MARC pour la mécanique - ainsi que sur des développements spécifiques, a été présenté. L'ensemble des phénomènes physiques ainsi que les principales interactions liées au procédé, ont été prises en compte. La description du comportement thermomécanique de l'acier a été simplifiée pour ne tenir compte que des phénomènes majeurs à l'origine de la genèse des contraintes résiduelles. Après validation de l'outil de simulation sur un cas test puis sur le procédé de trempe de référence, une première optimisation a été proposée. Un dispositif de trempe expérimental a été conçu de façon à valider l'ensemble des travaux dans des conditions contrôlées et reproductibles. Les résultats obtenus montrent une bonne corrélation d'un point de vue métallurgique entre simulation et expérimentation. La comparaison des résultats mécaniques montre des évolutions communes aux calculs et aux mesures, avec toutefois des niveaux de contraintes résiduelles sensiblement différents.

  • Titre traduit

    Electromagnetic, thermal, metallurgical and mechanical simulation of superficial hardening after induction heating applied to crankshafts


  • Résumé

    This study allowed the design of a methodology and the development of a tool dedicated to the numerical simulation of induction superficial hardening applied to crankshafts. This work was realised in the frame of a research and development project of the crankshaft manufacturer Krupp Mavilor aiming at the optimisation of the heat treatment with regards to fatigue resistance of the parts. An important part of the study was in the modeling of the metallurgical behavior of steel during rapid thermal kinetics. After a dilatometric study, the different phase transformations were modeled accounting for the influence of the homogenization of the austenite on the materials behavior during quenching. In order to account for the specifics of the heat treatment of crankshafts, dedicated software relying on three finite element software - FLUX2D for electromagnetic and thermal phases, METAL7 for the metallurgy and MSC MARC for the mechanical phase - and on specific developments was presented. The complete physical phenomenon - electromagnetic, thermal, metallurgical and mechanical - along with the main interactions due to the process were accounted for. The thermo-mechanical behavior of the steel was simplified and accounts only for the main phenomenon leading to the residual stresses. After validation of the simulation tool on a test case and on the reference hardening process, a first optimization, based on energetic and metallurgical considerations, was proposed. An experimental hardening set-up was designed to validate the work with reproducible and controlled experimental conditions. The metallurgical results show a good agreement between numerical and experimental results. The numerical and experimental results show similar trends in the residual stresses even though the stress levels are different. This thesis is concluded by the interesting perspectives of use of the methodology and the dedicated software as an optimization tool.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (142f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 55 réf.

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