LE CHAUFFAGE PAR INDUCTION 

LE CHAUFFAGE PAR INDUCTION 

REVUE DE LA LITTÉRATURE

Le développement de modèle permettant de prévoir les propriétés mécaniques des matériaux est nécessaire afin de connaître les conséquences des différents traitements que subit une pièce mécanique, allant de la création du matériau jusqu’à sa mise en forme ainsi que les différents traitements thermiques qu’elle subit. De nombreux modèles de prédiction ont vu le jour, les modèles empiriques (interpolation linéaire (Appolaire et al., 2010), réseaux de neurones (Penha, de Campos Franceschini Canalea et Canale, 2011)) et les modèles physiques (Tehler, 2009). Le problème est que même les modèles physiques ont besoin de données expérimentales pour être précis et fiables.
La présente étude a pour but de donner les données expérimentales permettant d’avoir des modèles précis et fiable pour des aciers martensitiques. Le 4340 a été utilisé comme acier type car sa trempabilité est excellente. Il est notamment utilisé dans les roues d’engrenage ou les vilebrequins de moteurs automobiles et marins car il permet des traitements de surface. Les roues d’engrenage ont besoin de propriétés particulières, elles subissent des chargements répétés et des chocs au niveau des dents. Le matériau doit donc être dur en surface au niveau du contact des dents et doux au cœur pour atténuer le phénomène de fatigue dû aux chargements répétés. Pour renforcer la surface des dents, elles peuvent être soumises au durcissement par induction, un procédé qui permet de durcir la partie superficielle de ces roues, les dents. La montée en température de ce procédé de durcissement est très rapide. Des données expérimentales sont nécessaires pour pouvoir caractériser le matériau pendant/lors ce type de traitement.
Dans les paragraphes qui suivent, les propriétés du matériau utilisé dans l’étude sont introduites ainsi que les effets des différents traitements thermiques et les procédés étudiés. Un rappel de la technologie des thermocouples sera également fait.

Acier 4340 :

L’acier 4340 est un acier allié, très utilisé dans l’industrie notamment pour les roues d’engrenage, les tiges de piston, l’arbre à vilebrequin des secteurs automobile et marin ainsi que des pièces de forage. Cet acier a l’avantage d’avoir une grande trempabilité, c’est-à-dire une aptitude à former par refroidissement rapide de la martensite dans des pièces massives et d’éviter la formation de ferrite, perlite et bainite. Il peut notamment avoir des propriétés mécaniques pouvant grandement varier suivant les traitements qu’il subit et donc avoir des propriétés mécaniques locales optimisées suivant son utilisation.

Les traitements thermiques :

Les traitements thermiques sont toutes les opérations thermiques qui visent à modifier la microstructure de l’acier, lui donnant ainsi de nouvelles caractéristiques. Ils permettent notamment de modifier la limite d’élasticité, la dureté, la résistance mécanique, l’allongement à rupture, le coefficient de striction et la résilience. Il existe plusieurs types de traitement, la trempe, le revenu… Certains de ces traitements servent à adoucir la structure après une trempe. En effet, une trempe est une chute rapide de la température qui conduit à un état hors équilibre. Le traitement thermique se déroule en trois étapes : l’austénisation, la trempe et le revenu.

L’austénisation :

Le principe est de chauffer l’acier pendant 30 min à 30-50 °C au-dessus de la température de transformation austénitique Ac3 afin de l’homogénéiser, transformant les éléments ferritiques (α, cubique centrée), la cémentite et les carbures présents en austénite (γ, cubique face centrée). À la fin du traitement d’austénisation, le matériau est homogène, son état est connu. Lors d’une chute brutale de température, la trempe, l’austénite se transforme en martensite si la diffusion des atomes de carbone est trop lente et ne permet pas la formation d’une autre microstructure, c’est généralement ce qui se passe pour un acier trempable.

La trempe :

La trempe est un phénomène qui consiste à refroidir rapidement un métal chaud. Ce phénomène permet d’obtenir un acier avec une dureté maximum si une transformation martensitique a lieu. En effet, c’est la seule transformation qui ne demande pas de diffusion. Une fois l’acier trempé, il a une dureté maximale, le problème étant qu’il est souvent très fragile (la résistance élastique est faible, la rupture intervient dès la fin du domaine plastique). Un adoucissement par revenu est nécessaire pour rendre le matériau plus ductile.

Le revenu :

Le revenu consiste à maintenir la pièce à une température relativement élevée, mais, sous le point de transformation Ac1 pour permettre la diffusion du carbone afin que l’acier retrouve un équilibre thermodynamique. Cela se fait souvent au détriment de la dureté. Par contre, la ténacité est grandement augmentée par ce traitement. Ce traitement diminue aussi les contraintes résiduelles qui sont une conséquence de la trempe (un gradient thermique entre le centre et la surface de l’échantillon ou le cisaillement provoqué pour la transformation martensitique). Le revenu permet de modifier la microstructure, notamment la taille des précipités et des carbures. En permettant la diffusion des éléments, les précipités et les carbures vont avoir tendance à grossir.

DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE

Pour développer une procédure expérimentale permettant de simuler les effets d’une chauffe par induction ou un soudage, il faut un simulateur thermomécanique très performant. Ces procédés consistent à avoir des variations de température très rapides (brutale). Ces changements de température peuvent entraîner des changements de volumes au sein du matériau et affecter ses propriétés mécaniques. Le simulateur doit être capable de reproduire ces phénomènes et nous permettre de quantifier la réponse du matériau. Seulement les données mesurées ne sont pas nécessairement représentatives de ce que le matériau subit en réalité. L’exploitation des résultats doit prendre en compte les possibles erreurs de l’expérimental.
Ce chapitre traite du protocole expérimental pour obtenir les données souhaitées pour l’acier 4340. Ces mesures seront par la suite traitées et analysées dans le CHAPITRE 3. Le Gleeble et ses systèmes de contrôles et de mesures sont présentés aux sections 2.1. Le plan d’expérience est présenté dans la section 2.2 ainsi que la méthode d’exploitation des résultats.

Gleeble 3800 :

Le Gleeble 3800 est une machine permettant de faire une très grande variété de tests. En effet, il chauffe les échantillons par effet joule avec une capacité de chauffe dépassant les 10 000 °C.s-1 et suivant les unités de contrôle choisies et la géométrie des éprouvettes, il peut faire en parallèle de la chauffe et des tractions ou compressions ou torsions. Un système de trempe peut aussi être installé pour faire des trempes à l’aide d’un fluide (gaz, air, eau). Cela permet de simuler à peu près tous les procédés de fabrication existants. Il utilise la technologie des thermocouples pour le contrôle de la température et de la chauffe ou du refroidissement. La calibration de la machine étant difficile, une méthode de vérification des données est nécessaire ainsi qu’une modélisation par éléments finis pour vérifier et valider les données obtenues.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Acier 4340
1.1.1 Description de l’acier 4340
1.1.2 Les phases
1.1.2.1 L’austénite : γ
1.1.2.2 La martensite : α’
1.1.3 Les traitements thermiques
1.1.3.1 L’austénisation
1.1.3.2 La trempe
1.1.3.3 Le revenu
1.1.3.4 Effet des traitements thermique sur la dureté initiale
1.1.4 Évolution des caractéristiques suivant la vitesse de chauffe
1.1.4.1 Modèles de changement de phase isotherme
1.1.4.2 Évolution du coefficient d’expansion thermique
1.1.5 Évolution des caractéristiques suivant le niveau de contrainte
1.2 Les thermocouples ou couples thermoélectriques
1.2.1 Effet Seebeck
1.2.2 Les différents types de thermocouple
1.2.3 Caractérisation du retard
1.3 Bilan et objectif de l’étude
CHAPITRE 2 DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Gleeble 3800
2.1.1 Unités de chauffe du Gleeble
2.1.1.1 Unité de chauffe dilatométrique
2.1.1.2 Unité de chauffe pour les tests mécaniques
2.1.2 Géométrie des éprouvettes
2.1.2.1 Traitement thermique
2.1.2.2 Mesure de la dureté
2.1.3 Refroidissement
2.1.4 Instrumentation des éprouvettes et système de mesure
2.1.4.1 Thermocouples
2.1.4.2 Dilatomètre
2.2 Essais
2.2.1 Calibration du Gleeble suivant le retard des thermocouples avec la méthode des laques
2.2.1.1 Dispositif expérimental
2.2.1.2 Synchronisation de la caméra avec le thermocouple de mesure
2.2.1.3 Bruit dans le signal du thermocouple
2.2.1.4 Plan d’expérience
2.2.2 Détermination des propriétés dilatométriques
2.2.2.1 Plan d’expérience
2.2.2.2 Détermination des températures de début et de fin de transformation austénitique (au chauffage) et martensitique (refroidissement) avec la dilatation de l’échantillon
2.2.2.1 Obtention du retard des thermocouples avant Ac1
2.2.2.2 Détermination de Ac1 avec la puissance électrique
2.2.2.3 Détermination de la fraction volumique d’austénite en fonction de la température
2.2.2.4 Évolution du diamètre central pendant le maintien
2.2.2.5 Retard de lecture du thermocouple au début du refroidissement
2.2.3 Essai anisotherme à déformation imposée
2.2.3.1 Calibration des essais pour la chauffe
2.2.3.2 Maintien à 1100 °C
2.2.3.3 Refroidissement des tests de traction
2.2.3.4 Méthode de détermination de Ms et Mf pendant le refroidissement
2.2.3.5 Méthode de caractérisation de la limite d’écoulement de l’austénite
CHAPITRE 3 EXPLOITATION ET ANALYSE DES RÉSULTATS
3.1 Effet du maintien à 1100°C pendant 90 secondes
3.2 Résultats des essais de dilatation
3.2.1 Cinétique de réaction et retard des thermocouples
3.2.2 Déduction des températures réelles pour Ac1 et Ac3
3.2.3 Détermination de Ac1 avec la puissance électrique
3.2.4 Influence de la vitesse de chauffe sur la cinétique de transformation austénitique
3.2.4.1 Échantillons 22 HRC
3.2.4.2 Échantillons 35 HRC
3.2.4.3 Échantillons 45 HRC
3.2.5 Influence de la dureté initiale sur la transformation austénitique
3.2.6 Déduction de Ms en fonction des différentes courbes de dilatation
3.3 Résultats des essais anisothermes avec déplacement imposé
3.3.1 Données obtenues pendant la chauffe
3.3.2 Données obtenues pendant le maintien
3.3.3 Données obtenues pendant le refroidissement
CHAPITRE 4 SIMULATION NUMÉRIQUE À L’AIDE DU LOGICIEL COMSOL
4.1 Mise en place de la simulation
4.1.1 Géométries
4.1.2 Hypothèses et conditions aux limites
4.1.2.1 Conditions thermiques
4.1.2.2 Conditions électriques
4.1.2.3 Conditions mécaniques
4.1.3 Propriétés des matériaux
4.1.4 Étude de convergence et choix du maillage
4.2 Simulation de la chauffe pour les essais de dilatation
4.3 Le maintien à haute température
4.3.1 Résultats pour un maintien après une chauffe à 400 °C.s-1 pour une éprouvette de dilatation
4.3.1.1 Température
4.3.1.2 Les contraintes
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I GÉOMÉTRIE DES ÉPROUVETTES
ANNEXE II LE POWANGLE
ANNEXE III LAQUES THERMIQUES ET PROGRAMME LABVIEW ASSOCIÉ 
ANNEXE IV CODE MATLAB DE LA SIMULATION NUMÉRIQUE 
ANNEXE V LE CHAUFFAGE PAR INDUCTION 
ANNEXE VI TEST DE CARACTÉRISATION DE L’EFFET TRIP
BIBLIOGRAPHIE

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