Cardinaux, David (2008) Experimental study and 3D finite element modeling of stamped steel shell heat treatment after induction heating processes: application on an automotive centre pillar. PhD thesis Mécanique Numérique, CEMEF - Centre de Mise en Forme des Matériaux, ENSMP p.220.

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Abstract

Heat treatment of steel after localised induction heating is now a widespread process - especially in the automotive industry. This process has proved its reliability in the context of massive parts, but the distortions generated are still often insufficiently controlled when dealing with thin sheets. PSA-Peugeot-Citroen is interested in the analysis and understanding of the phenomena involved, as well as the numerical simulation of such processes. It is therefore within this framework and in within a partnership between PSA and CEMEF that this work has taken place, using as an application the heat treatment of centre pillars. Such a complex process requires the understanding of heat transfer, solid mechanics, metallurgy, electromagnetism, and their mutual interactions for heating as well as cooling. This work lies at the crossroads of several disciplines such as thermomechanics and electromagnetism, as well as numerical methods and experimental study. It follows various projects carried out in the laboratory dealing with heat transfer or mechanics, as well as a previous thesis focused on a coupled numerical model for quenching. It is also a first 3D approach for induction heating processes and related multiphysics couplings. The presentation of this work is divided into three main parts. We first describe the industrial context, the problematic and the previous studies carried out on this process, getting then to experimental studies conducted within this work: one is aimed at the industrial process and the other on a simplified model we have developed in order to understand better the physical phenomena which create distortions. These experimental studies, which have provided us with many results, underscore the need for a numerical model in order to gat a better in-depth understanding of the physics involved in the process. We then have three chapters devoted to the finite element models developed and used in our computer tool in order to simulate the coupled problems: heat transfer/electromagnetism, solid mechanics/metallurgy as well as the whole coupled structure. The third and last part of this report deals on one hand with the setting up of a semi-industrial cases as well as material parameters identification, and on the other hand with numerical results obtained and their comparison with experimental results. This model enables us to estimate in a first approach the distortions undergone by a thin structure during localized induction heat treatment. The present computer tool provides us with a solid basis for future developments enabling us to tackle with complex industrial problems.

Table of content

Introduction

CH 1 : Contexte industriel et scientifique

1.1. Contexte industriel

1.1.1. Objectifs

1.1.2. La pièce étudiée

1.1.3. Etudes antérieures

1.2. Les 4 phases du procédé industriel

1.2.1. Le bridage

1.2.2. Le chauffage par induction

1.2.3. La trempe

1.2.4. Le débridage

1.3. Un problème multiphysique couplé

1.3.1. Composantes électromagnétiques

1.3.2. Composantes thermiques

1.3.3. Composantes métallurgiques

1.3.4. Composantes mécaniques – Les distorsions et contraintes résiduelles

Bibliographie

CH 2 : Essais expérimentaux : démonstrateur industriel et cas semi-industriel

2.1. Essais sur démonstrateur industriel

2.1.1. Objectifs

2.1.2. Moyens

2.1.3. Résultats des essais avec les paramètres de référence

2.1.4. Influence des paramètres de chauffage

2.1.5. Influence des paramètres de bridage

2.1.6. Conclusions sur les essais sur démonstrateur industriel

2.2. Mise au point d’essais sur une configuration simplifiée

2.2.1. Présentation du cas d’étude

2.2.2. Plan d’expériences

2.2.3. Résultats thermiques

2.2.4. Résultats métallurgiques

2.2.5. Résultats mécaniques

2.2.6. Conclusions

Bibliographie

CH 3 : Simulation thermo-électromagnétique

3.1. Simulation électromagnétique

3.1.1. Equations de Maxwell

3.1.2. Formulation potentiel vecteur / potentiel scalaire

3.1.3. Approximation harmonique

3.1.4. Calcul du courant source

3.1.5. Calcul du champ potentiel magnétique

3.1.6. Le ferromagnétisme

3.2. Simulation thermique

3.2.1. Equation de la chaleur

3.2.2. Résolution numérique

3.2.3. Problèmes liés aux traitements thermiques

3.3. Couplages entre électromagnétisme et thermique

3.3.1. Le couplage « ultra faible »

3.3.2. Effets du champ magnétique sur la température

3.3.3. Effets de la température sur la résolution électromagnétique

3.3.4. Procédure du couplage thermo électromagnétique

3.4. Application au procédé semi-industriel

3.4.1. Paramètres électromagnétiques

3.4.2. Paramètres thermophysiques

3.4.3. Résultats de calcul

Bibliographie

CH 4 : Modélisation du couplage thermomécanique

4.1. Modélisation du problème mécanique

4.1.1. Rappels sur les tenseurs de contraintes et déformations

4.1.2. Expression locale du problème mécanique

4.1.3. Expression globale et discrétisation du problème mécanique

4.2. Loi rhéologique, comportement THEVP

4.2.1. Equation de Prandtl-Reuss, domaines élastique et inélastique

4.2.2. Loi rhéologique (THEVP)

4.2.3. Résolution numérique des équations de Prandtl-Reuss

4.3. Couplage thermomécanique

4.4. Application au procédé semi-industriel

4.4.1. Mesure du coefficient linéique de dilatation

4.4.2. Modules de Young et de Poisson

4.4.3. Résultats de calcul

Bibliographie

CH 5 : Modélisation couplée thermomécanique et métallurgie

5.1. Cinétiques de transformation de phases en trempe

5.1.1. Modèle de cinétiques de transformation de phases

5.1.2. Approche des cinétiques anisothermes par le formalisme d’Avrami

5.1.3. Calcul de la transformation d’austénite en ferrite, perlite, bainite et martensite

5.2. Transformations de phases au cours du chauffage rapide

5.2.1. Processus de l’austénitisation

5.2.2. Effets du chauffage rapide sur la trempe

5.2.3. Modélisation des cinétiques d’austénitisation

5.3. Calcul thermomécanique multiphasée

5.3.1. Les déformations métallurgiques

5.3.2. Loi rhéologique THEVP multiphasée

5.3.3. Effets des contraintes sur les temps de transformation

5.3.4. Couplage thermo métallurgique

5.3.5. Diagramme des couplages thermomécaniques et métallurgiques

5.4. Conclusions et hypothèses sur les couplages multiphysiques

5.5. Application au procédé semi-industriel

5.5.1. Etudes antérieures sur le HR45

5.5.2. Paramètres de la loi THEVP

5.5.3. Diagrammes TTA, TTT et paramètres des couplages métallurgiques

5.5.4. Résultats de calcul

Bibliographie

Statistiques de consultation

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