Prédiction de distorsions induites lors du procédé de trempe de brames d’acier de fortes dimensions : modélisation et validation expérimentale

Résumé

L’industrie du forgeage a recours à la trempe comme procédé de traitement thermique post forgeage par excellence pour durcir l’acier par le biais de la transformation de phases. Ceci permet aux entreprises de conférer aux produits forgés les meilleures propriétés mécaniques recherchées, telles qu’un profil de dureté bien déterminé à travers l’épaisseur et une répartition bien définie de la microstructure. Le grand nombre de variables et de paramètres impliqués durant la trempe de pièces à l’échelle industrielle (jusqu’à 40 pouces d’épaisseur) exige l’exploitation d’outils prédictifs qui aident à mieux contrôler les fluctuations du procédé. La modélisation de la trempe de brames de grandes dimensions a été conduite dans ce travail en utilisant la méthode d’éléments finis pour pouvoir prédire l’évolution de tous les domaines physiques impliqués durant ce processus (thermique, transformation de phase et mécanique) jusqu’à la fin de la trempe. Dans la première partie, nous avons utilisé une méthode d’optimisation qui combine un modèle éléments finis (EF) tridimensionnels avec un réseau de neurones artificiel progressif pour prédire le coefficient de transfert thermique. Le modèle EF utilisé tient compte du couplage entre le modèle thermique et métallurgique pour pouvoir considérer la transformation de phases afin d’améliorer les prédictions de température grâce à la libération de la chaleur latente. Le modèle EF a initialement intégré différents modèles de coefficients de transfert thermique (HTC) issus de la littérature pour simuler l’effet de la variabilité du HTC sur le comportement thermique de la brame. Le modèle de réseau de neurones artificiel (ANN) développé utilise initialement les températures issues du modèle EF comme entrant ainsi que leurs HTC correspondant (utilisés comme des conditions aux limites) comme sortants pour l’entrainement. L’instrumentation de la brame a été réalisée pour comparer la validité de la réponse de la température simulée dans la brame par rapport à celle mesurée aux emplacements des thermocouples à la suite des différentes excitations par HTC. La simulation du modèle ANN (entrainé) se fait en utilisant la température expérimentale pour pouvoir prédire un nouveau HTC, qui sera utilisé ensuite pour simuler l’évolution de la température dans la brame. Cette méthode progressive avait une tendance à améliorer les prédictions de température en alimentant les entrants et sortants du modèle ANN par de nouvelles données de meilleure qualité après chaque itération (simulation du ANN). Les résultats montrent que les prédictions progressives du HTC obtenues par le modèle ANN peuvent s’améliorer après chaque itération et tendent vers un modèle qui a un profil récurrent. Finalement le HTC est considéré optimal s’il minimise indirectement l’erreur moyenne en pourcentage entre la température simulée par le modèle EF et celle mesurée expérimentalement jusqu’à 1.5 %. Dans la deuxième partie, le HTC développé dans la première partie a été adapté et introduit dans le modèle EF, mais cette fois pour étudier l’évolution de la transformation de phase d’une autre brame industrielle de taille réduite. Cette dernière a été instrumentée par différents thermocouples à différentes épaisseurs pour surveiller l’évolution de la température durant la trempe. Au début, l’optimisation du diagramme Temps Température Transformation (TTT) a été effectuée pour que le diagramme de Transformation en Refroidissement Continu (TRC) qui lui correspond (calculé), soit le plus représentatif du TRC réel de l’acier étudié, en utilisant la vitesse du refroidissement critique comme contrainte d’optimisation. Les résultats obtenus à la fin de la simulation montrent encore une fois que l’évolution de la température est en concordance avec les mesures expérimentales réalisées. Les échantillons extraits directement de la brame instrumentée, ont servi d’échantillons témoins. Néanmoins, des tests sur dilatomètre ont été réalisés pour reproduire fidèlement des échantillons ayant subi les mêmes cycles thermiques (réels) durant la trempe que celles des zones instrumentées de la brame. Les prédictions du modèle EF concernant la distribution des fractions volumiques de phases sont en concordance avec les résultats expérimentaux calculés à partir des courbes dilatométriques. Également, les analyses métallographiques au microscope électronique à balayage ont aussi confirmé, l’existence d’une surabondance de la bainite dans la région qui se situe au quart de l’épaisseur de la brame par rapport à celle du centre. Dans la troisième partie, les propriétés mécaniques essentielles pour la simulation ont été générées expérimentalement pour chaque phase et à différentes températures vu leur sensibilité sur la prédiction de la distorsion. Une méthodologie expérimentale a été aussi développée pour mesurer les distorsions de la brame après traitement thermique. La méthodologie a été basée sur la mesure expérimentale de la géométrie externe du bloc d’acier avant et après traitement thermique en utilisant un scanneur portable 3D de haute résolution. Les géométries scannées par la suite ont été analysées par le logiciel CATIA V5 pour créer des modèles 3D continus. L’objectif de la mesure était d’évaluer la réduction de l’épaisseur de la brame mesurée expérimentalement de manière tridimensionnelle. Les résultats de la simulation montrent la même tendance observée dans la mesure expérimentale. De plus, la valeur maximale de la réduction de l’épaisseur a été prédite par EF avec une précision acceptable. Ainsi, cela a permis de justifier l’utilisation des prédictions du modèle EF pour décrire et suivre l’évolution de la distorsion pour différents pas de temps et, puis conclure sur le niveau des contraintes résiduelles développées à la fin de la trempe. Finalement, le modèle EF développé a été capable de suivre l’évolution de la température et la transformation de phase à travers le volume de la brame, pour prédire finalement une cartographie de la microstructure après trempe. De façon analogue à précédemment, ceci a été aussi confirmé par la concordance entre le modèle EF et la mesure expérimentale de la distorsion, en plus de la dureté.

Date	7 juil. 2020
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) & Henri Champliaud (Codirecteur(-trice))