Rôle du carbone lors de la nitruration d’aciers de construction et influence sur les propriétés mécaniques

par Guillaume Fallot

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Laurent Barrallier et de Sébastien Jegou.

Soutenue le 30-09-2015

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Mechanics surfaces and materials processing (MSMP) (laboratoire) et de Labratoire Mécanique, Surfaces, Matériaux et Procédés (laboratoire) .

Le président du jury était Xavier Kleber.

Le jury était composé de Laurent Barrallier, Sébastien Jegou.

Les rapporteurs étaient Luc Pichon.


  • Résumé

    Lors du traitement de nitruration, la diffusion de l'azote dans les aciers entraîne la transformation des carbures de revenu en nitrures. Durant cette transformation, du carbone est relâché dans la matrice ferritique. L'étude expérimentale a mis en avant que cette décarburation est observable quel que soit le type de nitruration et pouvait aller jusqu'à 20 % dans le cas où la couche nitrurée ne comportait pas de couche de combinaison. Cette décarburation est induite par la réaction du carbone relâché au cours de la transformation de la cémentite avec l'hydrogène issu de la décomposition de l'ammoniac pour former une espèce carbonée, cette réaction a lieu tant qu'aucune couche de combinaison n'est présente à la surface. Cette redistribution du carbone influe sur la microstructure et les profils de contraintes résiduelles des couches nitrurées. Grâce aux résultats expérimentaux, ce phénomène a été implémenté dans le modèle de simulation de la nitruration développé au laboratoire. Cette implémentation porte essentiellement sur les conditions initiales et aux limites qui ont été obtenues en complétant les résultats expérimentaux par une simulation thermodynamique permettant de simuler des profils d'azote et de carbone proches de ceux obtenus expérimentalement. Le modèle permet également de calculer la variation de volume accompagnant la précipitation et ainsi de calculer les champs des contraintes résiduelles générées à la température de nitruration et leurs modifications lors du refroidissement. Le caractère polyphasé du matériau est pris en compte, la simulation permettant de connaître les contraintes résiduelles dans la ferrite, les précipités et les contraintes résiduelles macroscopiques grâce à un modèle micromécanique de transition d'échelles de type auto-cohérent. Cette approche multiphysique est applicable à l'ensemble des aciers au carbone allié (Cr, Mo, V). Ce modèle a été plus particulièrement appliqué à la nuance industrielle 33CrMoV12-9. L'ensemble de cette étude a permis de comprendre l'influence du carbone sur les propriétés mécaniques des couches nitrurées et de mettre au point un cycle industriel de nitruration en se basant sur les résultats expérimentaux et la simulation.

  • Titre traduit

    Role in carbon nitriding des'aciers construction and influence on mechanical properties


  • Résumé

    During the nitriding treatment, the diffusion of nitrogen in the steels causes the transformation of initial carbides into nitrides. During this transformation, carbon is released into the ferritic matrix. The experimental study has highlighted that the decarburization of the nitride layer occurs regardless of the type of nitriding and could reach 20% when the nitriding surface is not composed of compound layer This decarburization is induced by the reaction of the carbon released during the transformation of the cementite, with the hydrogen produced by the decomposition of ammonia to give a carburized species ?, this reaction occurs as long as any compound layer exists at the surface of the sample. This carbon redistribution has an influence on the microstructure and the residual stresses of the nitride layers. Based on experimental results, this phenomenon has been implemented in the nitriding simulation model developed in the laboratory. This implementation focuses on initial and boundary conditions obtained by complementing the experimental results with a thermodynamic simulation, to simulate nitrogen and carbon profiles close to those obtained experimentally. The model also calculates the volume change due to ? the precipitation and calculates the fields of residual stresses generated at the nitriding temperature and their evolution during cooling.. The multiphase character of the material is taken into account; the simulation allowing knowing the residual stresses in the ferrite, the precipitates and macroscopic residual stresses through a micromechanical model of scale transition like self-consistent. This multiphysics approach is applicable to all alloy carbon steels (Cr, Mo, V). This model has specifically been applied to industrial grade 33CrMoV12-9. The entire study allows understanding the influence of carbon on the mechanical properties of nitrided layers and the development of an industrial nitriding cycle based on experimental results and simulation


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