CE TRAVAIL PORTE SUR LE DEVELOPPEMENT D'UN OUTIL DE SIMULATION NUMERIQUE DU TRAITEMENT THERMIQUE DES ACIERS. LA SIMULATION NUMERIQUE D'UN PROCEDE AUSSI COMPLEXE NECESSITE LA COMPREHENSION DE LA THERMIQUE, DE LA MECANIQUE ET DE LA METALLURGIE AINSI QUE DE LEURS INTERACTIONS PENDANT TOUT LE REFROIDISSEMENT. CETTE ETUDE SE TROUVE AU CARREFOUR DE PLUSIEURS DISCIPLINES COMME LE NUMERIQUE, LA MECANIQUE ET LA METALLURGIE. DANS LE BUT DE REALISER UNE ETUDE COMPLETE, CETTE ETUDE FAIT SUITE A DE PRECEDENTS TRAVAUX DANS CHACUNE DES DISCIPLINES NOMMEES, ET A POUR BUT DE FAIRE CONVERGER LES CONNAISSANCES DANS CES DOMAINES POUR REALISER L'ENSEMBLE DES COUPLAGES NECESSAIRES POUR UNE REPRESENTATION REALISTE DU PROCEDE. C'EST TOUT NATURELLEMENT QUE CE TRAVAIL SE DECOMPOSE PRINCIPALEMENT EN TROIS PARTIES : PREMIEREMENT LES METHODES NUMERIQUES EMPLOYEES POUR LA RESOLUTION DU PROBLEME THERMOMECANIQUE SONT DECRITES. LE MODELE THERMOMECANIQUE REPOSE SUR UNE LOI DE COMPORTEMENT THERMO-ELASTO-VISCOPLASTIQUE ADDITIVE A ECROUISSAGE ISOTROPE ET CINEMATIQUE. LE MODELE ELEMENTS FINIS EST BASE SUR UN TRAITEMENT ORIGINAL DE L'ELEMENT P1+/P1 DANS LE BUT DE REDUIRE LE TEMPS DE CALCUL TOUT EN CONSERVANT L'ORDRE D'INTERPOLATION DE L'ELEMENT. LE COUPLAGE THERMOMECANIQUE EST UN COUPLAGE ALTERNE PAR INCREMENT DE TYPE GAUSS-SEIDEL. CE COUPLAGE EST GERE PAR UNE GESTION AUTOMATIQUE DU PAS DE TEMPS POUR ASSURER LA CONVERGENCE GLOBALE DU SYSTEME. DANS UNE DEUXIEME ETAPE, NOUS AVONS INTEGRE UN MODELE DE CALCUL DES EVOLUTIONS DES CINETIQUES DE TRANSFORMATION DE PHASES AU COURS DU REFROIDISSEMENT DE PIECES PRESENTANT UN GRADIENT DE TENEUR EN CARBONE. FINALEMENT, NOUS AVONS DEVELOPPE LES COUPLAGES METALLURGIE-THERMOMECANIQUE, ET L'ENSEMBLE DE CES INTERACTIONS EST VALIDE SUR DES GEOMETRIES CYLINDRIQUES. ENFIN, AU DERNIER CHAPITRE NOUS PRESENTONS LA CONFRONTATION MODELE-EXPERIENCE SUR DEUX TYPES D'APPLICATION. PREMIEREMENT DANS LE CAS DE REFROIDISSEMENT NATUREL D'UN COUPON DE RAIL, ET DEUXIEMEMENT SUR LA TREMPE D'UN PIGNON AUTOMOBILE CEMENTE. LA STRATEGIE DU MODELE COUPLE PERMET D'ENVISAGER DES SIMULATIONS POUR DES CAS INDUSTRIELS DE LA PHASE DE REFROIDISSEMENT ET DE TREMPE DU PROCEDE DE TRAITEMENT THERMIQUE.

Volume is indexed by Thomson Reuters CPCI-S (WoS). Collections of peer-reviewed papers always make excellent sources of knowledge and new ideas for researchers coming from both universities and industry. The present collection in particular provides interdisciplinary and international resources, thus encouraging the close cooperation of material scientists, manufacturing and computer engineers and promoting the diffusion of research results, and technology transfer, in all areas of Sheet Metal Processing and Characterization.

L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST DE SIMULER NUMERIQUEMENT LE COMPORTEMENT D'OUTILLAGES DE MISE EN FORME SOLLICITES EN FATIGUE THERMIQUE. DIVERS TRAITEMENTS, COMME LE DEPOT PAR PLASMA D'ARC TRANSFERE ET LA NITRURATION, PEUVENT ETRE APPLIQUES A CES OUTILLAGES, DANS LE BUT D'AMELIORER LES PROPRIETES DE RESISTANCE DE LEURS COUCHES SUPERFICIELLES ET DE LIMITER AINSI LEUR DEGRADATION. CES TRAITEMENTS DE SURFACE ENGENDRENT DES CONTRAINTES RESIDUELLES QUI INFLUENCENT LA DUREE DE VIE DES OUTILLAGES EN FATIGUE THERMIQUE. LA PRESENTE ETUDE A ETE MENEE SUIVANT DIFFERENTS AXES : - ETUDE ET IDENTIFICATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DU REVETEMENT ET DU SUBSTRAT DANS LA GAMME DE TEMPERATURES DE SERVICE ; - SIMULATION NUMERIQUE, PAR LA METHODE DES ELEMENTS FINIS, DU COMPORTEMENT DE LA STRUCTURE DURANT LE CYCLAGE THERMIQUE ; - DETERMINATION DES CONTRAINTES RESIDUELLES INITIALES (DUES AU TRAITEMENT DE SURFACE) PAR LES TECHNIQUES DE DIFFRACTION NEUTRONIQUE ET DE DIFFRACTION DES RAYONS X ; - INTRODUCTION DE CET ETAT DE CONTRAINTE INITIAL DANS LE CODE DE CALCUL ; - VALIDATION DU MODELE VISCOPLASTIQUE UTILISE PAR LA DETERMINATION EXPERIMENTALE DES CONTRAINTES RESIDUELLES PAR DIFFRACTION A DIFFERENTS STADES DU CYCLAGE THERMIQUE.

Le traitement thermique des aciers après chauffage par induction localisé est un procédé aujourd'hui répandu, notamment dans l'industrie automobile. Ce type de procédés a fait ses preuves dans le cadre de pièces massives, mais les distorsions générées sont encore parfois insuffisamment maîtrisées lorsqu'il s'agit de tôles minces. PSA-Peugeot-Citroën s'intéresse alors à l'étude et la compréhension des phénomènes en jeu ainsi qu'à la simulation numérique de tels procédés. C'est alors dans cette démarche et dans le cadre d'un partenariat entre le Cemef et PSA, que s'inscrit ce travail appliqué au traitement thermique d'un renfort de pied central. Un procédé aussi complexe nécessite la compréhension de la thermique, de la mécanique, de la métallurgie, de l'électromagnétisme, ainsi que de leurs interactions mutuelles au chauffage comme au refroidissement. Ce travail se trouve alors au carrefour de plusieurs disciplines comme la thermomécanique et l'électromagnétisme, ainsi que les méthodes numériques et l'étude expérimentale. Il fait suite à divers travaux réalisés au laboratoire concernant la thermique ou la mécanique, ainsi qu'une thèse précédente portant sur la modélisation numérique couplée de la trempe. Il constitue également la première approche 3D des procédés de chauffage par induction et des couplages multi physiques qui en découlent. La présentation de ce travail se décompose en 3 grandes parties. Premièrement, on décrit le contexte industriel, la problématique et l'historique de l'étude du procédé, pour en arriver aux études expérimentales réalisées dans ce travail : une porte sur le procédé industriel et l'autre sur un modèle simplifié que nous avons conçu pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui génèrent les distorsions. Ces études expérimentales, riches en résultats, soulignent la nécessité d'un outil numérique pour aller encore plus loin dans la compréhension physique du procédé. Nous poursuivons alors sur trois chapitres présentant les modèles numériques par éléments finis, développés et utilisés dans le code de calcul pour simuler les problèmes couplés : thermique / électromagnétisme, mécanique / métallurgie et l'ensemble de la structure couplée. La troisième et dernière partie du rapport traite, d'une part, de la mise en donnée d'un cas semi-industriel ainsi que de la caractérisation des paramètres, et d'autre part, des résultats numériques obtenus et de leur comparaison avec les résultats expérimentaux. Le modèle développé permet d'estimer dans une première approche les distorsions subies par une structure mince lors de son traitement thermique localisé par induction. Le code de calcul actuel forme une base solide pour de futures évolutions permettant de simuler des problèmes industriels complexes.

LA SIMULATION NUMERIQUE DU PROCEDE DE FONDERIE EST AUJOURD'HUI UN DES MOYENS QUE LES INDUSTRIELS ENVISAGENT D'UTILISER INTENSIVEMENT POUR FAIRE FACE AUX EXIGENCES DE PLUS EN PLUS SEVERES DES CAHIERS DES CHARGES DES PIECES MOULEES ET POUR OPTIMISER LEURS PROCEDES. UNE MODELISATION COMPLETE DU PROCEDE DOIT PRENDRE EN COMPTE LES DIFFERENTES PHASES DE REMPLISSAGE DU MOULE, DE SOLIDIFICATION AU NIVEAU MACROSCOPIQUE (DEFORMATIONS, CONTRAINTES) ET MICROSCOPIQUES (SEGREGATION, MICROSTRUCTURE). LE PRESENT TRAVAIL SE FOCALISE SUR LA SECONDE PHASE: ANALYSE MECANIQUE DE LA SOLIDIFICATION. SI ON CONSIDERE, EN PREMIERE APPROXIMATION, QUE LE REFROIDISSEMENT D'UNE PIECE EST ESSENTIELLEMENT GERE PAR LA VARIABLE TEMPERATURE, ON EST AMENE A RESOUDRE LES EQUATIONS DE LA CHALEUR DANS UN CADRE TOUT A FAIT GENERAL. POUR RESOUDRE CE PROBLEME, NOUS AVONS UTILISE LA METHODE DES ELEMENTS FINIS EN 3D (ELEMENT TETRAEDRIQUE 4 NUDS) QUI PERMET DE DISCRETISER L'ESPACE. LE CHOIX D'UN SCHEMA D'INTEGRATION TEMPORELLE EST RENDU PLUS DIFFICILE DU FAIT DE LA FORTE NON-LINEARITE DU PROBLEME DUE ESSENTIELLEMENT AU CHANGEMENT D'ETAT LIQUIDE-SOLIDE. L'ORIGINALITE DU MODELE THERMIQUE RESIDE DANS LA RESOLUTION MULTI-DOMAINES UTILISEE. UNE DES PARTICULARITES DE LA PHASE DE REFROIDISSEMENT EST LA PRESENCE DE FORT GRADIENT THERMIQUE AUX INTERFACES PIECE-MOULE. NOUS AVONS MONTRE QUE LE CHOC THERMIQUE EN PRESENCE POUVAIT ETRE TRAITE DE DEUX MANIERES DIFFERENTES: TECHNIQUE DE CONDENSATION DE LA MATRICE DE CAPACITE, TECHNIQUE DE RAFFINEMENT DE MAILLAGE. LA MODELISATION DE LA PHASE DE REFROIDISSEMENT NE PEUT ETRE CONCUE SANS COUPLAGE ENTRE LES EFFETS THERMIQUES ET MECANIQUES. EN EFFET, DE PAR L'EVOLUTION DU COMPORTEMENT DU MATERIAU, ET D'AUTRE PART DE L'APPARITION D'UNE LAME D'AIR ENTRE LA PIECE ET LE MOULE, CHANGEANT AINSI LES CONDITIONS AUX LIMITES THERMIQUES. POUR TRAITER LE PROBLEME MECANIQUE NOUS AVONS CHOISI UNE LOI DE COMPORTEMENT DE TYPE ELASTO-VISCOPLASTIQUE. DANS UN SOUCI DE CONSERVER LE MEME MAILLAGE EN MECANIQUE QU'EN THERMIQUE, NOUS AVONS DEVELOPPE UNE FORMULATION MIXTE VITESSE-PRESSION (ELEMENT P1+/P1) QUI PERMET DE TRAITER RIGOUREUSEMENT L'INCOMPRESSIBILITE DE LA PARTIE VISCOPLASTIQUE DE LA DEFORMATION. NOUS AVONS MONTRE LES PERFORMANCES DU MODELE THERMO-MECANIQUE TANT DU POINT DE VUE QUANTITATIF SUR UN CAS ACADEMIQUE QUE QUALITATIF SUR UNE GEOMETRIE COMPLEXE DE TYPE INDUSTRIELLE

LA PLUPART DES PIECES METALLIQUES SUBISSENT UN TRAITEMENT THERMIQUE AFIN D'AMELIORER LEURS CARACTERISTIQUES MECANIQUES ET LEUR TENUE EN SERVICE. CES TRAITEMENTS DANS LA MASSE (TREMPE) ET/OU DE SURFACE (TREMPE SUPERFICIELLE, TRAITEMENTS THERMOCHIMIQUES) SONT REALISES A HAUTE TEMPERATURE DANS UNE PLAGE DE 500 A 1000\C. TOUTEFOIS, LES PROCEDES UTILISES GENERENT LE PLUS SOUVENT DES CONTRAINTES RESIDUELLES ET DES VARIATIONS DIMENSIONNELLES DES PIECES TRAITEES. CES DISTORSIONS RESTENT RELATIVEMENT MAL MAITRISEES, NOTAMMENT EN RAISON DU TRES GRAND NOMBRE DE PARAMETRES NECESSAIRE A LEUR PREVISION. L'OBJECTIF PRINCIPAL DE L'ETUDE EST LA MISE EN PLACE DE MOYENS DE MESURES NON INTRUSIFS DES DISTORSIONS AFIN DE VALIDER LES MODELES DE PREVISION DES DEFORMATIONS ET DE SUIVRE LA CINETIQUE DES PHENOMENES. DANS CE BUT, UN FOUR DE TRAITEMENT THERMIQUE A ETE CONCU POUR ETRE INSTRUMENTE PAR DES CAMERAS CCD. DEUX TECHNIQUES ONT ETE DEVELOPPEES : LA MESURE PAR SUIVI DE CONTOURS, ADAPTEE PLUS PARTICULIEREMENT A L'ETUDE DE PIECES AXISYMETRIQUES, ET LA MESURE PAR STEREOVISION QUI PERMET D'ACCEDER, POUR DES GEOMETRIES DE PIECES PLUS COMPLEXES, AU CHAMP DE DEPLACEMENTS TRIDIMENSIONNELS. LES RESULTATS OBTENUS PAR SUIVI DE CONTOURS PORTENT SUR DIFFERENTES NUANCES D'ACIERS ET SUR UNE GEOMETRIE PARTICULIERE D'EPROUVETTE DE DEFORMATION. LES CINETIQUES DES DISTORSIONS OBTENUES SONT COMPAREES A DES CALCULS PAR ELEMENTS FINIS REPRENANT LES CONDITIONS EXPERIMENTALES AINSI QUE LES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES ACIERS UTILISES. LA STEREOVISION A ETE APPLIQUEE A UNE SECONDE GEOMETRIE D'EPROUVETTE ET SUR UNE NUANCE D'ACIER. LES RESULTATS PROMETTEURS OBTENUS CONFIRMENT L'APPORT, DANS CE DOMAINE, DES METHODES OPTIQUES PERMETTANT UNE ANALYSE A CHAMP COMPLET.