Influence des éléments d'alliage sur la genèse des contraintes résiduelles d'aciers nitrurés

Dependence of residual stresses of nitride steels on alloying elements

• Auteur / Autrice : Sébastien Jegou
• Direction : Laurent Barrallier, Régis Kubler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Arts et Métiers ParisTech. Centre d'enseignement et de recherche (Aix-en-Provence)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique

Micromécanique (ingénierie)

Nitruration

Résumé

Les contraintes résiduelles de nitruration ont pour origine les incompatibilités de déformations volumiques issues de la précipitation au cours du traitement. Le gradient de contraintes résiduelles résulte des gradients de composition chimique et de microstructure, ainsi que des incompatibilités de déformations macroscopiques. L’évolution du gradient de déformations volumiques en fonction de la profondeur et du temps de traitement est directement reliée, dans le cas des aciers, aux évolutions thermochimiques. La relaxation des contraintes en proche surface est la conséquence d’une décarburation superficielle. La diminution globale des contraintes au cours du traitement résulte de la transformation des carbures de revenu et de la diffusion du carbone en fonction de la profondeur. Une simulation du traitement de nitruration est développée à partir de la diffusion d’azote et de carbone à l’équilibre thermodynamique calculé grâce au logiciel Thermo-Calc. Un calcul de la variation de volume accompagnant la précipitation est proposé en tenant compte des hypothèses thermodynamiques et mécaniques. Les contraintes résiduelles de la matrice et macroscopiques sont déterminées au travers d’un modèle micromécanique de transition d’échelle de type auto-cohérent. Ce modèle confirme le rôle des cinétiques de transformations de phases, fonction des cinétiques de diffusion, sur l’évolution des contraintes résiduelles au cours du traitement. Ce modèle est appliqué aux nuances synthétiques Fe-3%Cr-0,354%C et industrielles 33CrMoV12-9. Une description détaillée du traitement de nitruration est finalement proposée. Elle aboutit à une meilleure compréhension de l’influence des éléments d’addition sur l’évolution des contraintes résiduelles.

Residual stresses of nitrided steels find origins through volumetric misfit accompanying the precipitation during the treatment. A residual stress gradient is generated from the primary gradient of chemical composition and the resulting gradient of microstructure. It is also the consequence of macroscopic strain incompatibilities. Volumetric strains versus the depth of nitriding are linked to thermodynamical modifications during the treatment of carbon iron-based alloys. Decarburization relaxes close surface residual stresses. The global decrease of residual stresses during nitriding is the consequence of the transformation of initial carbides into nitrides and the resulting diffusion of carbon toward the core material. A model of nitriding is proposed based on the diffusion of nitrogen and carbon, and on precipitation calculus using Thermo-Calc software. A volumetric strain calculation is proposed in agreements with thermodynamical and mechanical assumptions. Macroscopic residual stresses as well as the stresses over the ferritic matrix are computed using a scale transition model based on a self-consistent scheme. The transformation kinetic of carbides into nitrides coupled with the diffusion kinetic of nitrogen is showed to be the main feature of stress relaxation during nitriding. The model is applied successfully on a Fe-3%Cr-O,354%C laboratory steel grade and on the 33CrMoV12-9 grade. A better description of nitriding is finally proposed with some resulting conclusions on the role played by alloying elements.