Exemple 3D : traitement thermique d'une bride (Cahier Technique)
Etude réalisée
L'étude proposée dans le cahier technique 3D « Magneto Thermal » est l'étude du traitement thermique d'une bride en acier.
Dispositif étudié
Le dispositif étudié, représenté sur la figure ci-dessous, comprend les éléments suivants :
- un inducteur qui produit le champ excitateur : l'inducteur est un bobinage de cuivre, alimenté par une source de courant sinusoïdale
-
une charge qui correspond au composant traité thermiquement :
la bride en acier
Référence au cahier technique 3D
Différents types de calcul sont possibles sur ce dispositif. Le cahier technique rassemble ces différentes possibilités et donne le détail des caractéristiques à entrer pour la réalisation de ces différents cas. Ceux-ci sont brièvement décrits ci-après pour illustrer les différents types de calcul envisageables.
Les processus de traitement thermiques
L es traitements thermiques superficiels des pièces en alliages ferreux sont destinés à améliorer leur résistance à la fatigue ou (et) à l'usure en durcissant les zones critiques superficielles.
Deux processus de traitement thermique de la bride en acier sont étudiés. Ils sont présentés ci-après :
- Processus 1 : Chauffage continu par induction, processus de chauffage lent, réalisé à basse fréquence, pour obtenir une non-uniformité minimum de la température de la bride à la fin du processus de chauffage.
- Processus 2 : Trempe par induction = durcissement superficiel par trempe après chauffage par induction électromagnétique. Ce processus en deux phases est présenté dans le tableau ci-dessous.
| Phase | Description | Transformation | Conditions |
|---|---|---|---|
| 1 | Chauffage rapide localisé (surface externe / volume) | ferrite + perlite ⇒ austenite | quelques secondes au-delà de 800-850 °C |
| 2 | Trempe naturelle ou forcée | austenite ⇒ martensite | vitesse de refroidissement > valeur critique |
Cas traités
La modélisation de ces deux processus est réalisée dans Flux sous la forme de trois cas d'étude :
- cas 1 : chauffage à basse fréquence (f = 1 kHz)
- cas 2 : chauffage à plus haute fréquence (f = 200 kHz)
- cas 3 : refroidissement
Cas 1
Le premier cas est l'étude du processus 1 :
Il s'agit d'un processus de chauffage lent,
réalisé à relativement basse fréquence
(f = 1 kHz). L'épaisseur de peau est grande :
= 2,05 mm.
La densité de puissance au niveau de la surface latérale de la bride est relativement faible. Par conséquent, la bride est chauffée lentement, et l'on obtient un faible gradient de température dans tout le volume de la bride à la fin du chauffage.
La bride est chauffée de la température ambiante (20 °C) à environ 1100 °C.
Cas 2
Le second cas est l'étude de la première phase du processus 2 :
Il s'agit de la phase de chauffage rapide,
réalisé à relativement haute fréquence
(f = 200 kHz). L'épaisseur de peau est faible :
= 0,14 mm.
Seule la surface de la bride est impliquée dans le calcul électromagnétique. La densité de puissance diffusée au niveau de la surface latérale de la bride a également une valeur faible. Le chauffage est principalement le résultat de la conduction thermique depuis la couche surfacique de la bride (ou les courants induits sont non négligeables), vers l'intérieur de la bride.
La bride est chauffée de la température ambiante (20 °C) à environ 1100 °C.
Cas 3
Le troisième cas est l'étude de la deuxième phase du processus 2 :
Il s'agit de la phase de refroidissement (trempe). Après un refroidissement naturel (dans l'air), un refroidissement rapide est étudié.