Impact des paramètres d’induction sur les contraintes résiduelles

Quelques auteurs ont étudié l’impact des paramètres du procédé d’induction sur les contraintes résiduelles par des simulations numériques (Denis et al., 1993; Markegard et Kristoffersen, 2007) ou par des essais expérimentaux (Kristoffersen et Vomacka, 2001) mais principalement dans le cas de géométries simples.

Denis et al. (1993) ont étudié les effets de la vitesse de chauffe, de la température maximale atteinte et de la vitesse de refroidissement (trois paramètres) pour des cylindres d’acier de longueur infinie. Ces simulations ont été réalisées à l’aide d’un code d’éléments finis maison relativement poussé considérant les couplages mécaniques, thermiques et métallurgiques. Tout d’abord, ces auteurs montrent que si la vitesse de chauffe augmente de 200 à 800 °C/s en gardant les deux autres paramètres constants, la zone en compression résiduelle ainsi que la couche durcie sont moins profondes. Cela s’explique entre autres par le fait qu’une grande vitesse de chauffe laisse moins de temps à la chaleur pour diffuser vers l’intérieur de la pièce. La zone ayant été chauffée suffisamment pour subir une transformation de phase est donc

logiquement moins profonde. Une grande vitesse de chauffe laisse également un plus fort gradient de contraintes résiduelles et fait apparaître un pic de tension plus sévère dans les profils des contraintes axiales (σZ) et tangentielles (σϴ) se situant directement à la transition entre la zone durcie et le cœur. En surface, cette vitesse de chauffe élevée crée un peu plus de compression dans la direction tangentielle par rapport au cas de référence (environ 20 % de plus) mais n’a pratiquement aucun effet sur σZ.

Ensuite, Denis et al. (1993) ont observé un rapprochement vers la surface et une perte d’amplitude du pic de tension de la contrainte axiale pour une plus faible température maximale atteinte (980 °C au lieu de 1050 °C) et en gardant toujours les deux autres paramètres constants. De plus, la compression en direction axiale est légèrement plus élevée (11 %) dans ce cas tandis qu’aucun effet évident n’est observé dans la direction tangentielle. Notons que la température maximale atteinte en surface n’est pas un paramètre qu’il est fréquent de faire varier en pratique car elle est plus difficile à contrôler directement et doit rester suffisamment haute pour obtenir une austénite uniforme et dissoudre les carbures (Clarke et al., 2011).

Pour finir, Denis et al. (1993) montrent qu’une vitesse de refroidissement beaucoup plus élevée après la chauffe par induction (1500 °C/s versus 300 °C/s) entraîne de plus importantes contraintes résiduelles tant en compression qu’en tension et produit ainsi un plus fort gradient. Cela est sûrement explicable par de plus grandes contraintes thermiques transitoires de tension en surface pendant le refroidissement causant plus d’élongation plastique localisée avant la transformation martensitique et donc attirant les contraintes finales à cet endroit vers la compression après retour à l’équilibre. D’un autre côté, les refroidissements plus lents présentent moins de compression résiduelle en surface mais une transition plus graduelle vers la tension. Cela semble indiquer qu’il doit exister une vitesse de refroidissement optimale conduisant au meilleur compromis. D’autres auteurs ont obtenus des résultats similaires par simulation (Tjernberg, 2002).

Markegard et Kristoffersen (2007) ont également publié des travaux de simulation réalisés avec le logiciel commercial d’éléments finis SYSWELD® sur l’effet des paramètres du procédé d’induction sur les contraintes résiduelles dans des cylindres d’acier. Il s’agit de résultats approximatifs puisque la chauffe par induction a été simulée par un flux de chaleur surfacique (pas de modélisation électromagnétique). Les auteurs ont donc limité leur étude à un grand diamètre (Ø = 200 mm) où cette hypothèse est relativement acceptable. Markegard et Kristoffersen (2007) ont d’abord cherché à simuler les contraintes résiduelles induites pour un traitement typique qu’ils ont appelé le cas 1 (matériau : acier 42CrMo4, temps de chauffe = 6 s, profondeur durcie = 2 mm). Ils ont ensuite comparé par simulation ces résultats avec plusieurs autres cas : une préchauffe globale jusqu’à 300 °C précédant la chauffe finale (cas 2); les mêmes préchauffes et chauffe finale avec une température Ms abaissée de 100 °C (cas 3) et finalement la même séquence de chauffe combinée à une limite d’élasticité de l’austénite doublée (cas 4). Dans les quatre cas, la simulation est ajustée pour conserver une profondeur durcie de 2 mm. Ils ont observé des différences significatives surtout dans les profils de la contrainte tangentielle comme le montre la Figure 1.5. Notons que certains profils ne semblent pas auto-équilibrés dû au fait que l’axe horizontal ne va pas jusqu’au centre de la pièce et qu’il faut considérer les contraintes sur toute la section pour vérifier l’auto-équilibrage.

Figure 1.5 Profils des contraintes résiduelles tangentielles prédits par éléments finis. Tiré de Markegard et Kristoffersen (2007, p. A-3)

Il apparaît des travaux de Markegard et Kristoffersen que la préchauffe crée plus de compression en surface et adoucit le pic de tension sous la surface (cas 2). Les auteurs expliquent que l’idéal est d’essayer de conserver plus d’énergie thermique au cœur de la pièce jusqu’à ce qu’au refroidissement la température soit assez basse pour que la plasticité de transformation en zone surfacique soit pratiquement inactive. En d’autres mots, il faut qu’au refroidissement la microstructure transitoire de surface composée de martensite nouvellement formée et d’austénite soit assez résistante pour soutenir sans se plastifier la compression qui lui est imposée à la toute fin du traitement pendant le refroidissement du cœur chaud. En fait, une déformation plastique en compression localisée en surface pousserait les contraintes résiduelles vers la tension à cet endroit après retour à l’équilibre. Cela explique également pourquoi il faut refroidir assez rapidement la surface pendant que l’intérieur de la pièce est encore chaud pour maximiser la contrainte de compression finale à cet endroit critique pour la fatigue. Denis (1997) met également de l’avant que la préchauffe adoucit le maximum de tension situé sous la surface. En résumé, une préchauffe significative semble efficace pour maximiser la compression résiduelle en surface si elle est combinée à une trempe relativement sévère.

Dans le même ordre d’idées, Markegard et Kristoffersen (2007) montrent qu’abaisser la température de transformation Ms de l’acier de 100 °C (cas 3 de la Figure 1.5) entraîne plus de déformation de l’austénite durant la trempe. Cela augmente le potentiel d’élongation au refroidissement et donc maximise la compression en zone surfacique car le moment ou la martensite commence à se former est retardé. Pour les mêmes raisons, doubler la résistance de l’austénite (cas 4) devrait diminuer les contraintes de tension et de compression car cela implique moins de déformation plastique durant le traitement mais les simulations ont donné des résultats différents. L’article ne fournit aucune explication sur ce point.

D’autres chercheurs ont publié récemment une confrontation entre contraintes résiduelles mesurées expérimentalement et obtenues avec des modèles numériques du procédé d’induction mais sans étudier l’effet des paramètres d’induction explicitement (Coupard et

des différences significatives sont observées entre les contraintes résiduelles prédites et celles mesurées. En fait, les résultats des simulations au niveau des contraintes résiduelles sont très sensibles aux propriétés du matériau utilisées, et ces propriétés sont souvent difficiles à déterminer (Durban, 1997; Bocher et al., 2013).

Du côté expérimental, Kristoffersen et Vomacka (2001) ont mesuré des contraintes résiduelles par diffraction de rayons X (DRX) dans des cylindres d’acier AISI4140 traités par induction. La fréquence, la puissance et le temps de chauffe ont été variés à profondeur durcie égale (1,8 mm). Deux microstructures de base (avant induction) ont été utilisées : trempée/revenue et normalisée. Selon eux, la microstructure trempée/revenue devrait produire une transition de compression vers tension plus douce que la microstructure normalisée mais leurs résultats ne supportent pas clairement ces affirmations. Les auteurs ont également montré que les contraintes de cisaillement résiduelles à la surface sont négligeables. Les directions axiale et tangentielle seraient donc pratiquement les directions principales pour des cylindres longs induits. Cette étude montre aussi qu’à profondeur durcie égale de 1,8 mm et avec la microstructure trempée et revenue, une chauffe en haute fréquence (HF) plus longue et à puissance réduite par rapport au cas de référence a permis de faire passer le niveau de compression en surface de -450 à -650 MPa pour la contrainte tangentielle et de -550 à -800 MPa pour la contrainte axiale tout en réduisant légèrement la tension à cœur et en ne modifiant pratiquement pas la contrainte radiale. Ces augmentations sont probablement dues à une température interne plus élevée associée à une chauffe plus lente. Finalement, ils ont également mis en relief le fait que pour atteindre la même profondeur durcie avec une fréquence de courant plus élevée dans l’inducteur, la conduction de chaleur doit être mise à profit; probablement car les courants à haute fréquence ne pénètrent pas profondément (Rudnev et al., 2003). D’autres auteurs ont également étudié l’effet des paramètres du procédé d’induction sur les contraintes résiduelles. Par exemple, Rodman et al. (2012) ont observé une certaine sensibilité des contraintes résiduelles surfaciques vis-à-vis les paramètres de trempe (eau versus air, pression de l’eau et de l’air, etc.) sur des roues dentées induites.