Traitements thermochimiques de surfaces nanostructurées. Modélisation numérique et expérimentation

Thermochemical treatments of nanostructured surfaces. Numerical modeling and experiments.

• Auteur / Autrice : Victor Lacaille
• Direction : Jean-Michel Bergheau, Guillaume Kermouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingénierie
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne ; 1961-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Traitement thermochimique

Nitruration

Simulation par ordinateur

Thermogravimétrie

Matériaux nanostructurés

Éléments finis, Méthode des

Traitements de surface

Nanostructures

Résumé

La nanostructuration par voie mécanique est une méthode de durcissement de surface agissant directement sur la microstructure de la pièce mécanique traitée. En plus de présenter d’excellentes propriétés de dureté, de résistance à l’usure et de tenue à la fatigue, les surfaces nanostructurées ont pour propriété de favoriser la diffusion d’éléments chimiques, améliorant ainsi l’efficacité d’un autre type de durcissement de surface que sont les traitements thermochimiques. Bien que l’origine de cette augmentation des propriétés de diffusion soit connue, la quantification de ses effets est encore peu maitrisée. Ces travaux s’appliquent, par des études numériques et expérimentales, à donner les bases pour l’élaboration d’outils permettant la prédiction et la quantification de ces effets. Une première analyse par éléments finis sur des volumes élémentaires représentatifs mène à un modèle analytique ainsi qu’à un abaque permettant la prédiction du coefficient de diffusion d’une espèce chimique dans un matériau en fonction de sa microstructure. La partie expérimentale suivante permet d’observer sur un matériau modèle (le Fer) que les effets d’une nanostructuration de surface sur la nitruration résident principalement dans la cinétique de diffusion. Elle apporte également les données d’entrée nécessaires à l’explication des phénomènes observés expérimentalement et dont une partie d’investigations numériques fait l’objet. Enfin, le dernier chapitre de ces travaux s’attache à l’élaboration des prémices d’un outil industriellement exploitable, permettant de prédire le gain obtenu par nanostructuration de surface sur le traitement thermochimique d’un matériau.

Surface mechanical attrition is a way to improve the hardness of mechanical parts. It affects directly the microstructure of the treated part. In addition to their excellent hardness, wear resistance and fatigue resistance properties, nanostructured surfaces boost the diffusion of chemical elements and improve in this way the efficiency of thermochemical treatments which are also hardening methods by chemical processes. Although the reasons of this efficiency improving are known, the quantification of its effects is not still much understood. This work aims by numerical and experimental studies to give the basics for the creation of prediction tools of these effects. First, a finite elements analysis on representative volume elements leads to an analytical model and to an abacus for the prediction of the diffusion coefficient of a chemical element in a material with a given microstructure. The experimental part points out on a model material (Iron) that the effects of surface nanostructuring on nitriding stand mainly in the diffusion kinetics. It also gives data required for the explanation of experimentally observed phenomenon that the following chapter concerns. The last chapter of this work aims to elaborate the beginnings of an industrial tool which predicts the gain obtained by surface nanostructuring on the thermochemical treatment of a given material.