1.3.4.1. Notion de contraintes résiduelles
Les contraintes résiduelles sont des contraintes auto-équilibrées qui existent dans un matériau pris à température uniforme et qui n’est soumis à aucune sollicitation mécanique extérieure. Ces contraintes résiduelles apparaissent lorsqu’il existe dans le matériau des hétérogénéités de déformations permanentes qui conduisent à des incompatibilités de déformations [SIMON- 1997].
Usuellement, les contraintes résiduelles sont classifiées selon l’échelle à laquelle est traitée l’hétérogénéité de déformation : échelle macroscopique de l’ordre du mm (premier ordre σI),
échelle microscopique de l’ordre de la taille du grain (second ordre σII), échelle
submicroscopique de l’ordre de quelques distances interatomiques ou défauts de structure (troisième ordre σIII) (Figure 21).
1.3 Un problème multiphysique couplé Dans cette étude, nous nous intéresserons uniquement aux hétérogénéités à l’échelle de la structure donc aux contraintes résiduelles du premier ordre. La Figure 22 schématise la traction uniaxiale d’une éprouvette hétérogène en comportement mécanique (partie 1) suivie d’un retour à l’état d’équilibre (partie 2). La Figure 22c montre que le matériau est alors sous contraintes de traction et compression équilibrées (partie 3). Sur cet exemple, c’est une sollicitation mécanique qui a entraîné la plastification du matériau.
Figure 22 : Cas de la déformation par traction uni axiale d’une éprouvette dont les caractéristiques mécaniques à cœur et en peau sont différentes [ALIAGA-2000]
Lors de traitements thermiques de trempe localisée, les contraintes internes peuvent être générées par les gradients thermiques, les dilatations ou contractions lors des changements de phase, les gradients métallurgiques qui induisent des gradients de propriétés mécaniques, la plasticité de transformation ou toute combinaison de ces phénomènes.
1.3.4.2. Conséquences des contraintes résiduelles
Les contraintes résiduelles ont deux conséquences majeures. La première se porte sur le comportement mécanique du matériau et de la pièce du fait que localement, la sollicitation subie est une superposition des contraintes appliquées et des contraintes résiduelles. La seconde conséquence est une modification géométrique de la pièce provenant des déformations et défauts générés par les contraintes résiduelles et toute l’histoire de la genèse des contraintes internes. C’est par cette altération de la géométrie d’une structure que nous entendons le terme de distorsion.
Les distorsions sont importantes à maîtriser car elles peuvent nuirent à l’utilisation industrielle d’une pièce traitée qui sortirait des côtes autorisées dans le cahier des charges, ou dans le pire des cas, conduire à une rupture locale de la pièce par apparition de fissures. Une manifestation spectaculaire de cet effet peut se rencontrer lors de la trempe des aciers avec l’apparition de tapures [BODSON-1975].
BIBLIOGRAPHIE
[ALIAGA-2000] - Aliaga C., Simulation numérique par éléments finis 3D du comportement thermomécanique au cours du traitement thermique d’aciers : application à la trempe de pièces forgées ou coulées, Thèse de doctorat, ENSMP, 2000.
[AUCLAIR-1997] - Auclair G., Badard A., Béguinot J. et al, "Les grandes familles d’aciers spéciaux", Les Aciers Spéciaux, , Lavoisier - Techniques et Documentation, p. 21-74, 1997.
[BARRERE-1992] - Barrere E., Contribution à la modélisation des contraintes résiduelles lors de la trempe superficielle au défilé après un chauffage par induction, Thèse de doctorat, ENSAM Bordeaux, 1992.
[BÉGUINOT-1997] - Béguinot J., Bellus J., Gautier E. et al, "Principes de base du traitement thermique des aciers spéciaux", Les Aciers Spéciaux, Lavoisier - Techniques et Documentation, p. 205-264, 1997.
[BELL-1984] - Bell K.J., Mueller A.C., Wolverine engineering data book, Wolverine Division of UOP inc., vol. 2, p. 305, 1984.
[BÉRANGER-1997] - Béranger G., Schmitt J., "Structures cristallographiques et diagrammes d’équilibre", Les Aciers Spéciaux, Lavoisier - Techniques et Documentation, p. 79-117, 1997.
[BODSON-1975] - Bodson , Flahaut , Fremot et al, "Detection des tapures de trempe par émission acoustique", Revue pratique du contrôle industriel, n° 73, 1975.
[BOUROUGA-2007] - Bourouga B., Gilles J., "The Transition From Nucleate Boiling Towards the Convection: Application to the Quenching of Metallic Massive Parts", AIP Conf. Proc., vol. 907, p. 1217-1220, 2007.
[BRAMFITT-1990] - Bramfitt B., Speer J., "A perspective on the morphology of bainite", Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 21, n° 3, p. 817-829, 1990.
[BUCZEK-2004] - Buczek A., Telejko T., "Inverse determination of boundary conditions during boiling water heat transfer in quenching operation", J.Mater.Process.Technol., vol. 155-156, p. 1324-1329, 2004.
[DESALOS-2003] - Desalos Y., "Introduction aux traitements thermiques des métaux et alliages", Techniques de l’Ingénieur - traité Matériaux métalliques, n° M1105, 2003. [DORLOT-1986] - Dorlot J., Baïlon J., Masounave J., Des Matériaux 2ème édition, Edition
de l'Ecole Polytechnique de Montréal, 1986.
[FARIAS-1991] - Farias D., Traitement thermique laser de l’acier XC42 et modélisation des transformations de phases en cycles rapides au chauffage et au refroidissement, Thèse de doctorat, INPL, 1991.
[FOCT-1997] - Foct J., Taillard R., "Changements de phases à l’état solide", Les Aciers Spéciaux, Lavoisier - Techniques et Documentation, p. 174-203, 1997.
Bibliographie [GASPAR-2000] - Gaspar V., Evaluation économique du renfort de pied central de T51 traité par induction, note interne DRIA/PPIQ/ASL/ARRP/VV/VG00NT068, PSA Peugeot Citroën, 2000.
[GIÉ-1985] - Gié H., Sarmant J., Electromagnétisme, Lavoisier - Techniques et Documentation, vol. 1 et 2, 1985.
[GILLES-2004] - Gilles J., Bourouga B., Sorin A., "Quenching operation of aluminium alloys: measurments and numérical simulations", Revue de Métallurgie, vol. 9, p. 695- 703, 2004.
[HONGSHENG-1986] - Hongsheng F., Yankang Z., Bingzhe B., "The formation and morphology of granular bainite and granular structure", HSLA Steels: Metallurgy and Applications, vol. 1986, p. 359-367, 1986.
[JOHNSON-1939] - Johnson W.A., Mehl R.F., "Reaction kinetics in processes of nucleation and growth", trans. AIMME, vol. 135, p. 416, 1939.
[LEIDENFROST-1966] - Leidenfrost J.G., "On the fixation of water in diverse fire", Int.J.Heat Mass Transfer, vol. 9, n° 11, p. 1153-1166, 1966.
[MAEDER-1990] - Maeder G., Lebrun J.L., Sprauel J.M., "Détermination par diffraction des rayons X des contraintes internes. Aspect macro- et microscopique", Physique et mécanique de la mise en forme des métaux - Ecole d’été d’Oléron, Presse du CNRS/IRSID, p. 135-155, 1990.
[MURRY-1998] - Murry G., "Transformation dans les aciers", Techniques de l’Ingénieur - traité Matériaux métalliques, n° M1115, 1998.
[NICLAS-1998] - Niclas A., Prise en compte des gradients de propriétés liés au traitement thermique dans le dimensionnement des pièces mécaniques, Thèse de doctorat, ENSAM Paris, 1998.
[PASCAL-2003] - Pascal R., Modélisation du traitement thermique superficiel par induction, Thèse de doctorat, Ecole Centrale de Lyon, 2003.
[RUDNEV-2003] - Rudnev V., Loveless D., Cook R. et al, Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker, 2003.
[SAQUET-1999] - Saquet O., Chicois J., Vincent A., "Barkhausen noise from plain carbon steels: analysis of the influence of microstructure", Mat. Sc. And Eng., vol. 269, n° 1, p. 73-82, 1999.
[SIMON-1997] - Simon A., "Introduction au thème contraintes résiduelles", La Revue de Métallurgie-CIT/Science et Génie des matériaux, p. 151-156, 1997.
[THOMAS-2002] - Thomas B., Schmitt J., "Durcissement des aciers – Rôle de la microstructure", Techniques de l’Ingénieur - traité Matériaux métalliques, n° M4341, 2002.
[ZANETTI-2001] - Zanetti T., Reinhardt A., Zandona M., Traitement thermique par
induction sur tôles minces embouties, note interne