Qu'est ce que la trempe ?
La trempe est un procédé de traitement thermique utilisé pour modifier les propriétés mécaniques de pièces métalliques forgées, moulées ou soudées. Il consiste à chauffer une pièce pour modifier sa microstructure et ses propriétés, comme la dureté, la résistance et la ténacité. La pièce est ensuite refroidie dans un milieu (eau, huile, solution à base de polymère ou air) qui dépend du matériau et des propriétés attendues.
Ce procédé est couramment utilisé pour durcir et renforcer des pièces pour les secteurs de l’automobile et de l’aéronautique telles que les bagues, les engrenages, les arbres et autres pièces de transmission. Il est également utilisé dans le secteur de la construction pour éviter les distorsions des barres et des tiges et dans le secteur de l’énergie (par exemple, les couronnes laminées sans soudure).
Simulation de l'évolution de la température pendant la trempe à l'huile d'une vilebrequin monocylindre. Courtoisie d'AMW.
Simulation de trempe avec SIMHEAT®
Lors du traitement thermique, les températures et les vitesses de refroidissement sont des facteurs essentiels pour fabriquer des pièces métalliques forgées ou moulées. Ces facteurs déterminent la plupart des caractéristiques finales du matériau. La simulation numérique est un excellent outil pour comprendre ces résultats et les optimiser.
Pour être aussi proche que possible de la réalité, SIMHEAT® intègre un modèle qui couple les phénomènes thermiques, mécaniques et métallurgiques. Plus d’informations
Ainsi, il prend en compte les comportements à l’état solide et intègre les lois de coefficient d’échange thermique en fonction de la température en surface ou du temps.
Pour la trempe, le coefficient d’échange thermique dépend de la température de la pièce, du milieu de refroidissement, de l’agitation du bain et de nombreux autres paramètres. Le procédé de trempe fait intervenir différentes phases d’ébullition. Dans SIMHEAT®, le phénomène d’ébullition est pris en compte en utilisant un coefficient d’échange thermique qui dépend de la température de la pièce.
Distribution de la température lors de la trempe d’un engrenage conique avec SIMHEAT®
Avantages de la simulation prédictive
La simulation numérique permet d’optimiser votre procédé et de déterminer les meilleurs paramètres pour obtenir les caractéristiques finales souhaitées. Pour renforcer la stabilité et l’efficacité du procédé, la simulation permet de tester plusieurs conditions de trempe, notamment la durée du cycle de chauffage, les coefficients d’échange thermique, les courbes de refroidissement, le temps de trempe, la nature du bain, etc.
SIMHEAT® vous permet de :
- Créer des diagrammes TTT basés sur le modèle Kirkaldy pour les aciers faiblement alliés
- Accéder à des modèles de distorsion applicables à tous les types de métaux, notamment les alliages aéronautiques
- Suivre les caractéristiques des matériaux lors du traitement thermique grâce aux capteurs
- Prédire la température, la transformation de phase, la dureté HV ou HRC, la distorsion, la contrainte résiduelle et la limite d'élasticité
- Modéliser la trempe et le vieillissement artificiel des alliages d'aluminium
Prédiction de différents phénomènes pendant la trempe d'un engrenage.
Haut-gauche : Martensite / Haut-droite: Dureté /
Bas-gauche : Contraintes de Von Mises / Bas-droite: Contraintes équivalentes
Fonctionnalités concurentielles de SIMHEAT® pour la trempe
- SIMHEAT® repose sur un modèle de simulation qui couple les données thermiques, mécaniques et métallurgiques.
- Le logiciel possède aussi un module d’optimisation intégré. Il permet d’ajuster les coefficients d’échange thermique selon des courbes de refroidissement expérimentales, grâce à une méthode d’analyse inverse.
- Un générateur de diagrammes TTT et TRC est également fourni.
TTT and CCT diagram generator
- Le modèle de simulation de la trempe de l’acier de SIMHEAT® est basé sur un diagramme TTT. L’optimisation manuelle ou automatique peut être utilisée pour créer le diagramme TTT qui correspond aux courbes TRC expérimentales.
- Une large base de données de fluides de trempe est disponible dans notre logiciel. Elle comprend notamment des bains d’huile et d’eau, de l'air, ainsi que 63 fluides de trempe Quaker Houghton, dont une sélection de solutions de polyalkylènes-glycols de différentes concentrations, températures et conditions d’agitation. Pour chaque fluide de trempe, un descriptif a été ajouté pour montrer les valeurs HTC en fonction de la température ainsi que la correspondance entre les données expérimentales et la courbe de simulation obtenue pendant l’optimisation.
- Les capteurs peuvent être utilisés pour enregistrer la température, la transformation de phase et l’évolution de la dureté du métal.
- Compatibilité totale avec le logiciel de matériaux JMatPro®, pour analyser avec précision les propriétés mécaniques associées aux changements de phase et aux variations géométriques.
Le modèle thermo-mécano-métallurgique de SIMHEAT®
Le logiciel SIMHEAT® est basé sur un modèle associant des données thermiques, mécaniques et métallurgiques. Le modèle mécanique est représenté par une loi de comportement élasto-viscoplastique. Les paramètres thermiques ainsi que les paramètres élastiques et plastiques varient selon la phase et la température. Le modèle métallurgique concerne le calcul de la cinétique de transformation de phase lors du refroidissement d’une pièce, et il est basé sur un modèle isotherme. L’incubation de ferrite, de perlite et de bainite est représentée par l’équation de Scheil.
t(T) est le temps requis pour la transformation commençant à la température T.
La loi de Johnson-Mehl Avrami est utilisée pour calculer la fraction de ferrite, perlite ou bainite transformée.
Où :
- y est la fraction transformée pour chaque phase
- ymax est la fraction de phase maximum pouvant être transformée en fonction de la température
- t iest le temps écoulé depuis le début de la croissance
- b et n sont les coefficients de la loi d’Avrami
Le modèle isotherme est couplé pour prendre en compte les aspects non isothermes du refroidissement. Les transformations martensitiques sont prédites par la loi de Koistinen-Marburger. La fraction de martensite en volume est fonction de la température. La transformation martensitique débute lorsque l’austénite instable passe en dessous d’une température seuil MS (Martensite Seuil). La transformation métallurgique est couplée au calcul thermique par l’enthalpie de transformation de chaque phase.
Simulation de l’évolution du taux de martensite avec SIMHEAT® lors de la trempe d’un vilebrequin
Parfaitement adapté aux alliages d'aluminium
Comme l’aluminium présente une faible densité, il doit souvent être traité thermiquement pour atteindre les propriétés mécaniques requises. La trempe et le vieillissement artificiel sont adaptés à ce matériau et SIMHEAT® propose deux modèles pour effectuer une simulation prédictive : un modèle phénoménologique et un modèle thermomécanique.
En collaboration avec l’un des leaders en fluides de trempe
Transvalor et Quaker Houghton, l’un des principaux fabricants de fluides pour procédés industriels dans les secteurs des métaux primaires et du travail des métaux, collaborent sur des projets communs afin d’améliorer les performances des fluides de trempe et des lubrifiants.
Grâce à cette collaboration, Transvalor peut améliorer en continu les prédictions des simulations de traitement thermique effectuées avec SIMHEAT®.
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