Modélisation numérique des transferts thermiques lors de la trempe d’un alliage métallique oxydé

La trempe par aspersion d’eau est un traitement thermique utilisé pour conférer aux aciers des propriétés de résistances mécaniques spécifiques. Cette opération consiste d’abord à porter l’acier à une température suffisante, généralement entre 800∘^{\circ}C et 900∘^{\circ}C, pour former de l’austénite. Après une période de maintien à une température supérieure à cette température d’austénitisation, l’acier est refroidi par aspersion d’une grande quantité d’eau liquide. Au cours de ce processus de refroidissement, l’acier subit différentes transformations de phases. Celles-ci dépendent de la température et de la vitesse de refroidissement et influent directement sur les microstructures et sur les propriétés mécaniques finales de l’acier. La ductilité du matériau, sa limite d’élasticité, sa résilience, ainsi que sa dureté sont les propriétés affectées par la trempe. Lors de la chauffe à l’air précédant la trempe, il est fréquent qu’une couche d’oxyde se développe sur la surface du métal. La conductivité des oxydes étant usuellement inférieure d’un ou deux ordres de grandeur à celle des métaux dont ils sont issus [1], les échanges thermiques vont être moindres lors de la trempe, ce qui va modifier la cinétique de refroidissement et donc la nature et la proportion des constituants formés lors de la décomposition de l’austénite. Par ailleurs, le contact entre la couche d’oxyde et le métal est généralement imparfait ce qui contribue à diminuer encore plus le flux dissipé et à l’isoler encore davantage (existence d’une résistance de contact). L’influence de cette couche d’oxyde sur la chaleur dissipée lors de la trempe et donc sur les propriétés de l’acier à l’issue de celle-ci est mal connue dans la littérature. L’objectif de ce travail est donc d’étudier numériquement son effet. Pour cela, un modèle numérique prenant en compte les différentes couches et interfaces est développé. Une attention particulière est donnée à la thermodépendance des paramètres physiques et la prise en compte des transformations de phase. De façon classique, les lois de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) et de Koistinen-Marburger sont utilisées afin de modéliser respectivement les transformations diffusives et displacive. Les cinétiques de transformation au refroidissement sont obtenues par la méthode de Scheil (incubation) et une hypothèse d’additivité afin de déterminer les fractions volumiques des différents constituants ainsi que la dureté en fin de trempe [2]. [1] C.V. Madhusudana. « Thermal Contact Conductance : Second Edition ». SPRINGER, Mechanical Engineering Series 2014, pp 236.  [2] S. Denis, D. Farias, A. Simon. « Mathematical Model Coupling Phase Transformations and Temperature Evolutions in Steels. » ISIJ International 1992, pp 316-325.  [3] A.V. S. Oliveira, J. Teixeira, V. Schick, D. Marechal, M. Gradeck, S.Denis. « Using a linear inverse heat conduction model to estimate the boundary heat flux with a material undergoing phase transformation. » Applied Thermal Engineering, 2023.