Mathematical modeling of the kinetics of martensite transformation and the thermomechanical properties of a low alloy medium-carbon steel

Résumé

Les processus de traitement thermique sont essentiels pour les aciers afin d'obtenir des propriétés mécaniques souhaitables pour les applications nécessitant des charges mécaniques importantes. Cela est particulièrement vrai pour les entreprises opérant dans l'industrie aérospatiale, où les exigences de performance attendues sont très élevées. Cependant, les traitements thermiques ne sont pas sans effets indésirables. En effet, ils sont également sources de pièces rejetées en raison de l'apparition de distorsions non désirées et non quantifiées dépassant des tolérances souvent très serrées. La présence de distorsions est un problème pour les entreprises car la productivité en souffre, et des coûts supplémentaires peuvent être nécessaires pour couvrir le remplacement des pièces rejetées. La prédiction des distorsions dues à un traitement thermique est également très difficile, car elle fait intervenir plusieurs champs physiques avec une multitude d'interactions qu'il faut évaluer. Pour pouvoir quantifier et prédire ces déformations, la simulation est obligatoire car c'est la méthode la plus rentable par rapport à la pratique par essais et erreurs. Cependant, pour des simulations précises, des données de matériau fiables sont nécessaires. Par conséquent, des expériences doivent être réalisées et des modèles doivent être proposés selon le processus de fabrication actuel de l'entreprise. Pour ce projet, l'objectif principal est de fournir des modèles précis pour la cinétique de transformation de phase et pour les propriétés thermomécaniques d’un acier faiblement allié à moyen carbone utilisé dans la fabrication d’un train d’atterrissage. La première partie de cette étude se concentre sur la transformation de phase durant une trempe. En raison de la taille industrielle du composant avec une géométrie complexe et différentes épaisseurs, une distribution non uniforme de la température est observée. Cela conduit également à une transformation de phase non uniforme se produisant à différents moments et à différentes vitesses pendant tout le processus de trempe. Pour mieux comprendre l'évolution de la microstructure, la transformation de phase a été caractérisée par dilatométrie. La transformation de phase en cours peut être simplement observée par le changement de dilatation. Différentes vitesses de refroidissement sont également utilisées sous la température de début de transformation martensitique, représentant mieux les conditions de trempe d'un train d'atterrissage. Les résultats ont montré une décélération significative de la transformation qui décroit davantage avec la diminution des taux de refroidissement. Ce comportement rarement documenté a été attribué au partitionnement du carbone de la martensite fraîche vers l'austénite restante pendant l’auto-revenu. Suite à cette observation, un nouveau modèle mathématique est proposé sous la forme d'une routine. Bien qu'il existe déjà quelques modèles pour la prédiction des transformations de phase martensitiques, ils sont incapables de décrire avec précision la décélération. Dans le présent modèle, des équations décrivant les différents mécanismes présents lors de la transformation sont implémentées. La fraction de martensite est décrite par l'équation de KoistinenMarburger. Cependant, en raison du mécanisme sous-jacent du partitionnement du carbone, la vitesse de transformation est affectée et diminue avec l'augmentation de la concentration de carbone dans l'austénite restante. L'avantage du modèle proposé est mis en évidence par sa capacité à prédire les fractions instantanées de martensite pour une vaste gamme de chemins de refroidissement car il ne dépend que des paramètres du matériau. La deuxième partie du projet couvre l'ensemble des étapes de la détermination des propriétés thermo-mécaniques de l'austénite et de la martensite pour la gamme de température du processus de trempe, 25°C à 875°C. Les principales propriétés mécaniques sont le module d'Young, la contrainte visqueuse, la contrainte de durcissement cinématique, la contrainte de durcissement isotrope et la limite d'élasticité mathématique. Les expériences sont menées sur le Gleeble et, comme dans la section précédente, des modèles sont proposés pour les propriétés extraites.

Date	1 déc. 2023
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohammad Jahazi (Directeur(-trice))