« La trempe par induction, une approche prometteuse pour la trempe sélective de pièces métalliques, est largement utilisée pour la trempe superficielle lorsqu'une surface dure est requise à côté d'un noyau résistant. En ce qui concerne la complexité de ce processus, la géométrie des pièces affecte profondément la distribution de la température et le profil de dureté en conséquence. Durant cette étude, deux concentrateurs de flux magnétique sont introduits dans notre ensemble de machines à induction afin de contrôler le flux magnétique et, par conséquent, le profil de dureté (profondeur durcie) des engrenages droits. La performance des concentrateurs de flux magnétique est examinée par l'effet des paramètres de la machine sur la profondeur durcie et l'effet de bord de l'engrenage droit en acier AISI 4340. Un plan d'expériences basé sur la méthode Taguchi est principalement utilisé pour optimiser le nombre d'essais expérimentaux. Ensuite, les profils de dureté des engrenages traités thermiquement à la tête et à la racine des engrenages sont mesurés par des essais de dureté par micro-indentation. Les résultats sont analysés à l'aide de l'analyse de la variance (ANOVA) et de la méthode de la surface de réponse (RSM) pour déterminer l'effet principal des paramètres du processus, ainsi que la meilleure combinaison de paramètres du processus qui maximise la profondeur durcie et minimise la caractéristique indésirable de l'effet de bord. Enfin, les modèles de prédiction de la profondeur durcie en fonction des paramètres du processus sont développés sur la base de la méthode de régression linéaire. À cette fin, quatre modèles prédictifs de la profondeur durcie à la tête et à la racine dans le plan du bord et le plan médian des engrenages droits sont générés. Les résultats indiquent que la profondeur durcie maximale avec un effet de bord minimal à la racine et à la tête est obtenue en réglant la puissance maximale de la machine, le temps de chauffage le plus long et l'écart axial minimal entre les concentrateurs et l'engrenage droit. Cette étude fournit une bonne exploration de la profondeur durcie en présence de concentrateurs de flux magnétique sous différents paramètres de processus et donne une ligne directrice fiable concernant l'effet de bord pendant le processus de trempe par induction. -- Mot(s) clé(s) en français : Trempe par induction, engrenage droit, acier AISI 4340, ANOVA, RSM, profondeur durcie. »--

« Le durcissement par induction est l'une des applications du traitement thermique par induction qui a de larges implémentations dans l'industrie, tels que la trempe, la normalisation, le recuit. Les applications les plus courantes du traitement thermique par induction sont le durcissement, en raison de ses avantages environnementaux, qualitatifs et économiques. Dans la trempe par induction, le traitement thermique dépend principalement du phénomène électromagnétique d'effet de peau car cette caractéristique principale a fait de la trempe par induction une méthode largement appliquée, notamment dans le domaine du traitement thermique des composantes des secteurs automobile et aérospatial. Grâce au phénomène d'effet de peau, la température est générée à l'intérieur de la pièce pour créer la structure martensitique uniquement sur une profondeur donnée sans contact avec la source de chaleur. Le processus de durcissement par induction est basé sur le couplage de divers phénomènes physiques complexes (électromagnétiques, thermiques et mécaniques), qui impliquent un grand nombre de paramètres mécaniques et géométriques affectant la microstructure finale de la pièce. Les caractéristiques mécaniques de la pièce traitée par le processus de trempe par induction dépendent principalement du modèle et de la profondeur du profil de dureté, qui dépend des paramètres du processus. L'une des caractéristiques les plus importantes de la trempe par induction est la possibilité d'automatiser le processus. Les simulations ont prouvé leur capacité à décrire complètement le processus de chauffage et à ajuster les paramètres du chauffage par induction, ce qui a conduit à la diminution des erreurs dans les méthodes d'essais dans l'industrie pour atteindre la profondeur et le modèle de durcissement requis. L'objectif de ce mémoire est de modéliser et simuler numériquement un pignon d’alliage AISI 4340 par un modèle 3D traité thermiquement. C'est le pignon ou le modèle qui est traité par induction à double fréquence séquentielle et simultanée en utilisant la méthode des éléments finis (MEF) pour résoudre les problèmes électromagnétiques et de transfert de chaleur. À travers cela, ce mémoire vise à étudier l'effet de l'utilisation de l'approche double fréquence séquentielle et simultanée sur le processus de durcissement par induction pour expliquer les caractéristiques et les avantages que chaque approche ajoute au processus pour obtenir un modèle de contour uniforme du profil de dureté. Ce mémoire comprend trois sections principales basées sur une simulation numérique qui a été réalisée sur le logiciel COMSOL Multiphysics. Ce mémoire combine l'étude et l'exploration des caractéristiques et des avantages de chaque approche et l'étude de la sensibilité du profil de dureté et du modèle de la distribution finale de la température en évaluant l'effet des paramètres (le temps de chauffage, la densité de courant imposée et l'écart axial d'un concentrateur de flux au-dessus et au-dessous du pignon) sur le profil de température et sur la variation de température entre le bord et les régions centrales et la variation de température entre la pointe et la racine en utilisant des outils statistiques. Ce mémoire illustre également l'effet des paramètres sur l'effet de bord et optimise ces paramètres pour réduire ce phénomène dans une approche double fréquence séquentielle. Ce mémoire présente des études numériques de la dureté par induction à double fréquence basées sur des simulations, car ces études ont prouvé que les approches à double fréquence séquentielle et simultanée sont meilleures, plus rapides, plus appropriées et économiques pour le durcissement des engrenages, pignons et autres composants mécaniques qui ont des formes géométriques complexes, dont le motif de contour du profil de dureté ne peut pas être obtenu par durcissement par induction en utilisant une fréquence unique. Ce mémoire ouvre la porte à l'industrie et à de nombreuses études futuristes basées sur l'utilisation de la double fréquence dans le processus de durcissement. -- Mot(s) clé(s) en français : chauffage par induction, pignon, engrenages, séquentiel, simultané, double fréquence, FEM, acier 4340, effet de bord, ANOVA, contour, uniforme, concentrateur de flux. »--

« Le traitement thermique superficiel par induction est un procédé de fabrication qui permet de produire la microstructure martensitique à haute compression à la surface de la pièce traitée afin d’augmenter la dureté superficielle, d’améliorer la résistance de tenue à l'usure et de fatigue et de maintenir le noyau ductile. Ce procédé est purement écologique, sans émission de gaz ou de fumées toxiques dans l'environnement. Néanmoins, le traitement d'une pièce mécanique par induction fait intervenir plusieurs facteurs et paramètres de contrôle du processus, notamment les propriétés du matériau, les paramètres et géométries de la machine et les conditions de chauffage. Afin d'exploiter correctement les ressources de ce procédé, il est nécessaire de développer des stratégies pour contrôler et ajuster les paramètres afin de produire avec précision les caractéristiques souhaitées de la surface durcie sans avoir recours au traditionnel processus d'essais et d'erreurs, long et coûteux. L’objectif du projet consiste à analyser les paramètres machines et géométries sur la distribution finale de températures afin de développer des modèles simples capables de prédire les températures et le profil de dureté avec une bonne précision pour des pièces mécaniques en acier AISI 4340 chauffées par induction en présence de concentrateurs de flux. Pour ce faire, une approche en trois phases a été adoptée. La première phase a consisté à la modélisation et la simulation par la méthode des éléments finis d’un modèle 2D axisymétrique avec le logiciel COMSOL afin d’analyser les effets de paramètres machines et géométries sur la profondeur de pénétration de courant induit pour un disque. Les paramètres impliqués comprennent la puissance machine, le temps de chauffe, l’écart entre la pièce et l’induction et l’écart entre les concentrateurs de flux et la pièce. Les résultats obtenus de cette étude ont permis d’établir les modèles de prédiction de profondeur de pénétration avec une précision de plus de 96%. La seconde phase a permis de mener une étude de sensibilité sur les profondeurs durcies pour développer les modèles fiables capables de prédire les profils de dureté en fonction de paramètres impliqués d’un disque en utilisant la même approche de la première phase. Les modèles proposés sont validés par des essais expérimentaux. Les résultats de simulation obtenus ont démontré un bon accord avec ceux obtenus par expérimentation. Enfin, la troisième phase a consisté à étudier les effets de variation de paramètres machines sur la distribution finale de température dans un engrenage droit chauffé par induction à doubles fréquences avec concentrateurs de flux. Un modèle 3D a été mis en œuvre par la méthode des éléments finis. Les paramètres machines impliqués sont, la densité de courant imposée dans l’inducteur et le temps de chauffage de deux fréquences (MF et HF). Les résultats obtenus ont conduit à des modèles capables de prédire les températures avec une haute précision dans un engrenage droit. -- Mot(s) clé(s) en français : Traitement thermique par induction, concentrateurs de flux, profil de dureté, acier AISI 4340, ANOVA, modèles de prédiction, méthode des éléments finis (FEM). »--

À partir des équations de Maxwell et de transfert de chaleur, les phénomènes physiques ont été modélisés en simplifiant les lois de comportement des matériaux et en introduisant la densité de courant externe. Le problème a été abordé par la méthode des éléments finis avec des modèles en 2D et en 3D et mise en œuvre dans le logiciel COMSOL. Une compagne de simulation, d'essais expérimentaux et de mesures de profil durci a été réalisée à chaque partie de projet, et a permis de valider avec succès les hypothèses de la modélisation et de vérifier la qualité des résultats fournis par la simulation. Ce travail a permis de mettre à la disposition de l'industrie des recettes simples et fiables destinées à concevoir des profils durcis plus optimisés et de produire des composantes mécaniques industrielles de haute performance. -- Mot(s) clé(s) en français : Traitement thermique par induction, Acier 4340, Profil de dureté, Effet de bord, Concentrateurs de flux, Engrenages, Réseaux de neurones, ANOVA, Optimisation. »--

Une analyse bibliographique du phénomène d'allotropie du soufre est présentée, ainsi qu'un exposé non exhaustif des propriétés physiques, thermodynamiques et chimiques de l'élément. Parallèlement, une synthèse des modèles de la littérature qui concernent les processus de nucléation, condensation et refroidissement de particules est menée. Un dispositif expérimental de distillation de vapeurs de soufre a été mis au point. Il permet l'étude des phénomènes "trempe" des vapeurs dans un gaz froid inerte et "cristallisation" de la Fleur de Soufre obtenue, qui s'accompagne de la rétrogradation de l'allotrope polymère en forme stable S α. En vue d'accélérer la cinétique de cristallisation, une optimisation des paramètres opératoires température de trempe et composition de l'atmosphère inerte est proposée. De même, la formation préférentielle de Fleur comparable au produit industriel connu est étudiée : une limite du paramètre "débit de soufre sur volume de condenseur", pour une géométrie donnée, est proposée. En outre, la modélisation des phénomènes qui interviennent dans l'opération de trempe de vapeurs a permis d'élaborer un programme de simulation, qui détermine les différentes inconnues du système soufre-gaz neutre. Enfin, deux logiciels spécifiques de Conception Assistée par Ordinateur sont présentés et exploités. L'un permet le dimensionnement d'une unité de type pilote, extrapolation contrôlable en températures et débit du dispositif expérimental cité plus haut. L'autre envisage la conception et l'optimisation d'un réseau de condenseurs pour la production industrielle.