Couplage contrainte-diffusion. Du problème des interstitiels à la nitruration gazeuse de l’acier
Auteur / Autrice : | Lisa Germain |
Direction : | Laurent Barrallier, Sébastien Jegou |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Mécanique-matériaux |
Date : | Soutenance le 13/12/2022 |
Etablissement(s) : | Paris, HESAM |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Mechanics surfaces and materials processing - Mechanics surfaces and materials processing |
établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Luc Pichon |
Examinateurs / Examinatrices : Laurent Barrallier, Sébastien Jegou, Benoît Panicaud, Julien Da Costa Teixeira | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Panicaud, Julien Da Costa Teixeira |
Résumé
Depuis de nombreuses années, la compréhension du couplage entre un champ de contraintes mécaniques (appliquées ou résiduelles) et un champ chimique dans un processus de diffusion de la matière est un domaine d'étude important. La diffusion interstitielle à longue distance, dans le cas par exemple de la nitruration gazeuse provoque de forts gradients de contraintes associés à des transformations de phase (diffusion à courte distance). Les phénomènes de diffusion-précipitation sont connus et simulés au sein du laboratoire. Le couplage contrainte-diffusion (à courte ou longue distance) reste cependant un problème important. Deux phénomènes significatifs sur la diffusion à longue distance ont été soulignés : l'effet d'une contrainte homogène (terme Fickien) et le gradient de contraintes comme force de transport (terme Nersntien). De plus, un prétraitement mécanique est fréquemment utilisé avec les traitements thermochimiques, ce qui entraîne des phénomènes rarement découplés de déformations plastiques incompatibles et de contraintes résiduelles. Dans cette étude des approches numériques limitées à la diffusion à longue distance et des approches expérimentales ont été réalisées pour aborder ces questions. Le couplage contrainte-diffusion fait l'objet de simulations numériques en 1D (2D axisymétrique) et 2D utilisant la thermodynamique des processus irréversibles. Les effets d’une contrainte homogène et d'un gradient de contraintes ont été mis en évidence par des simulations numériques qui ont été appliquées à un système binaire (Fe-N). Les résultats ont révélé que le facteur de couplage fickien (σ_kk β) doit être environ 100 fois supérieur au coefficient de diffusion D pour avoir un impact significatif sur la cinétique.Afin de confronter ces résultats théoriques à la réalité, des expériences de nitruration sur la nuance d’acier 33CrMoV12-9 ont été effectuées. Des essais particuliers ont permis d'observer l'influence sur les cinétiques de diffusion : d'un gradient de contraintes résiduelles (i.e. gradient de déformation élastique ∇ε^e); d'un gradient de contraintes appliquées (i.e. gradient de déformation élastique ∇ε^e); d'une déformation plastique homogène ε^P, d'un gradient de déformation plastique ∇ε^P. Les résultats ont montré de faibles différences sur les cinétiques de diffusion comme observées lors des simulations numériques.