Modélisation de la trempe gazeuse haute pression : application aux aciers de cémentation et de trempe

par Jean-François Douce

Thèse de doctorat en Mécanique et énergétique

Sous la direction de Jean-Pierre Bellot et de Sabine Denis.

Soutenue le 14-11-2008

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , en partenariat avec Laboratoire de science et génie des matériaux et de métallurgie (Nancy) (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Archambault.

Le jury était composé de Jean-Pierre Bellot, Sabine Denis, Pierre Archambault, Eric Arquis, Anne-Marie Habraken, Pascal Lamesle.

Les rapporteurs étaient Eric Arquis, Anne-Marie Habraken.

mots clés

• Trempe gazeuse
• Modélisation
• Ecoulements
• Turbulence
• Transferts thermiques
• Transformations de phases
• Déformations
• Contraintes
• Stress
• Acier -- Trempe
• Gaz -- Écoulement -- Vitesse
• Métaux -- Traitement thermique

Résumé

L’utilisation de fluides non vaporisables tels que les gaz pour tremper différentes pièces d’acier rend possible, avec les outils numériques actuels, la simulation de l’ensemble des phénomènes physiques mis en jeu dans ce traitement thermique et ainsi de prédire les comportements thermique, métallurgique et mécanique des pièces. Plusieurs auteurs s’intéressent à la construction de ce type de modèles dont les enjeux sont de promouvoir l’utilisation de la trempe gazeuse haute pression, en cherchant à remplacer les trempes à l’huile plus polluantes et/ou à maîtriser les déformations pendant ou après la trempe. Lors de notre travail, un modèle décrivant ces phénomènes physiques, de l’écoulement gazeux aux déformations, et leurs couplages a été construit par étapes en couplant les deux codes de calcul commerciaux Fluent et Sysweld. Les résultats de simulations ont ensuite été confrontés à des mesures de vitesses d’écoulements de gaz (par PIV), de températures et de déformations in situ (détection de contours). Malgré quelques écarts dont les origines ont été analysées, la comparaison a révélé une très bonne concordance des résultats de calculs et expérimentaux, validant ainsi la démarche de calcul. Le modèle pourrait maintenant être testé pour des refroidissements plus rapides que ceux considérés mais son utilisation pour des applications industrielles (pièces de géométrie plus complexe, refroidissement de charges entières, …) peut d’ores et déjà être envisagée avec confiance

mots clés

• Gas quenching
• Phase transformations
• Heat transfers
• Turbulence
• Simulation
• Fluid flow
• Distortions

Titre traduit

High pressure gas quenching modelling : application to carburizing and quenching steels

Résumé

The use of non vaporizable fluids such as gas to quench steel bodies makes the simulation of all the coupled physical phenomena involved in this heat treatment possible thanks to current numerical simulation tools. It gives access to the prediction of thermal, metallurgical and mechanical behaviour of steel pieces during quenching operation. Several authors have tried and build such kind of models in order to promote gas quenching use either by trying to replace less environmental friendly oil treatments or by trying to control distortions during or after quenching. In our work a model describing the physical coupled phenomena, from gas flow to distortion has been built step by step by coupling both commercial numerical codes Fluent and Sysweld. Simulation results have then been compared to gas flow velocities measurements (by PIV), temperature measurements and in situ distortions measurements (contour’s detection method). This confrontation revealed a very good agreement between calculated and experimental data despite some slight differences, which have been analysed in detail. This validated the calculation method used in the model. One of the perspectives of this work could be the validation of the model for higher quenching rate. However, some industrial applications (tridimensional more complex bodies quenching simulation, quenching of full loads, …) can be run from now on with confidence