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Module Metal Processing

Simulez les transformations de phase métallurgiques dans les composants mécaniques

Lorsqu'un matériau comme l'acier ou la fonte subit un refroidissement à partir d'une température élevée, des transformations de phase métallurgiques peuvent se produire. Le module Metal Processing est un produit complémentaire du logiciel de simulation COMSOL Multiphysics® qui permet d'étudier comment ces transformations de phase affectent les propriétés mécaniques et thermiques des matériaux. Le module comprend des fonctionnalités permettant de modéliser les transformations de phase qui sont voulues (comme dans la trempe et la carburation de l'acier) autant que celles qui sont introduites involontairement (dans la fabrication additive ou le soudage, par exemple). Des fonctionnalités pour modéliser le recuit sont également disponibles. Les capacités multiphysiques intégrées peuvent aider à améliorer les performances d'un composant en optimisant la composition des phases.

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Un modèle d'engrenage droit en métal avec une petite section apparente.
Un modèle d'engrenage conique représenté en orange et en violet.

Trempe des aciers

La trempe de l'acier est un procédé de traitement thermique qui consiste à refroidir rapidement des pièces en acier qui ont été chauffées jusqu'à atteindre un état entièrement austénitique. La trempe de l'acier est également un procédé multiphysique, car elle implique la combinaison d'analyses de décomposition austénitique, de transfert de chaleur et de mécanique structurelle. Le module Metal Processing offre des fonctionnalités spécialisées pour faciliter la configuration des modèles pour ce procédé multiphysique.

Après le lancement de l'étude, il est possible d'examiner les compositions de phase et l'influence de la vitesse de refroidissement sur les déformations finales et les contraintes résiduelles pendant la trempe d'un composant. Ces résultats donnent un éclairage sur l'efficacité d'un agent de trempe en particulier et sur la manière dont la géométrie physique d'un composant affecte la composition de phase atteignable en son sein.

Cémentation

Le procédé de cémentation consiste à chauffer un composant en acier et à l'exposer à un environnement riche en carbone, comme le monoxyde de carbone. La diffusion du carbone depuis le milieu environnant se produit à travers la frontière et à l'intérieur du matériau au moyen d'un procédé de diffusion dépendant du temps. Les analyses de cémentation permettent de s'assurer que le procédé est réalisé correctement. La cémentation suivie d'une trempe peut produire des contraintes de compression à la surface d'un composant, ce qui contribue à réduire le risque de fatigue.

Modèle d'un engrenage droit représenté avec une tranche manquante, révélant l'intérieur de l'engrenage.
Trois segments d'engrenage droit montrant la déformation plastique équivalente, la condition de recuit et la température.

Recuit

Il est souvent nécessaire de modéliser le traitement thermique d'aciers ayant subi une déformation plastique. Lorsqu'il est soumis à des températures suffisamment élevées, l'acier perd son écrouissage antérieur. Afin de tenir compte de cet effet, le module Metal Processing, combiné au module Nonlinear Structural Materials, fournit des capacités de modélisation du recuit, qui permettent de spécifier une température de recuit, à laquelle l'écrouissage antérieur de l'acier est supprimé en réinitialisant les variables d'écrouissage plastique.

Cette fonctionnalité se révèle utile dans les cas où le matériau subit des cycles thermiques, comme lors d'un soudage multipasse. Dans ces circonstances, l'état de contrainte résiduelle est fortement influencé par l'historique de plasticité du matériau.

Fonctionnalités et caractéristiques du module Metal Processing

Modélisez les transformations de phase métallurgiques et les phénomènes connexes.

Vue rapprochée des réglages de la fonctionnalité Transformation de phase et graphique 2D de la fraction de phase d'austénite.

Transformations de phase métallurgiques

L'interface Transformation de phase métallurgique est utilisée pour étudier les transformations de phase métallurgiques qui se produisent dans un matériau comme l'acier pendant le chauffage ou le refroidissement. La fonctionnalité Phase métallurgique peut être utilisée pour définir la fraction de phase initiale et les propriétés du matériau ; la fonctionnalité Transformation de phase permet de définir la phase source, la phase de destination et le modèle de transformation de phase. Pour les transformations de phase contrôlées par la diffusion, comme lorsque l'austénite se décompose en ferrite, cinq types de modèles de transformation de phase sont disponibles : Leblond-Devaux ; Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov ; Kirkaldy-Venugopalan, simplifié ; basé sur la microstructure ; et taux hyperbolique. Le modèle Koistinen-Marburger permet de modéliser les transformations de phase martensitiques displacives (sans diffusion). Ces modèles de transformation de phase peuvent être définis en utilisant, par exemple, des données de diagramme TTT. Les données de transformation de phase sont définies pour chaque modèle séparément et peuvent être importées à partir du logiciel JMatPro®. Les modèles de transformation de phase peuvent également être définis par l'utilisateur.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec trois noeuds physiques mis en évidence et un modèle d'engrenage droit dans la fenêtre graphique.

Trempe des aciers

Une interface multiphysique prédéfinie Trempe des aciers est disponible et configure automatiquement une simulation de trempe d'acier. Elle ajoute une interface Décomposition austénitique ainsi qu'une interface Mécanique du solide et une interface Transfert de chaleur en milieu solide. Les couplages multiphysiques sont automatiquement configurés pour tenir compte des contraintes de transformation de phase et de la chaleur latente des différentes phases métallurgiques.

Combiné au module Nonlinear Structural Materials, le module Metal Processing peut être utilisé pour effectuer des calculs détaillés des contraintes et des déformations pendant l'opération de trempe. Les déformations plastiques des phases métallurgiques individuelles sont incluses, et une option de récupération plastique et un schéma de pondération non linéaire peuvent être utilisés pour modéliser la limite d'élasticité initiale effective du matériau composé. La température de référence du volume et le coefficient de dilatation thermique sont utilisés pour calculer un tenseur de déformation thermique dans chaque phase. Les effets de plasticité induite par transformation (TRIP) peuvent également être analysés, lorsque la déformation inélastique du matériau résulte de contraintes inférieures à la limite d'élasticité (sans écoulement plastique, au sens classique de la plasticité).

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Transformation de la phase métallurgique mis en évidence et les résultats d'une barre de forme circulaire dans la fenêtre graphique.

Propriétés matériaux des phases et des composés

Les interfaces Transformation de phase métallurgique et Décomposition austénitique peuvent calculer les propriétés effectives des matériaux sur la base des propriétés des différentes phases métallurgiques. Ces propriétés effectives peuvent être utilisées de manière transparente par d'autres interfaces, comme Transfert de chaleur en milieu solide et Mécanique du solide. Les propriétés des matériaux sont définies séparément pour chaque phase métallurgique et peuvent être importées importer à partir du logiciel JMatPro®.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Estimation de paramètres mis en évidence et un diagramme TTT dans la fenêtre graphique.

Calibration des modèles de transformation de phase

Lors de la définition des modèles de transformation de phase pour une simulation, une calibration expérimentale peut s'avérer nécessaire pour une transformation de phase donnée. Les diagrammes de transformation de phase classiques peuvent être calculés pour faciliter l'étalonnage par rapport aux données expérimentales, tels que les diagrammes de transformation par refroidissement continu (CCT) et de transformation temps-température (TTT). Notez que le module Optimization est nécessaire pour réaliser un ajustement par rapport aux données TTT.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Décomposition austénitique mis en évidence et les contraintes dans un modèle d'engrenage droit dans la fenêtre graphique.

Décomposition austénitique

L'interface Décomposition austénitique est une version spécialisée de l'interface Transformation de phase métallurgique et est utilisée pour modéliser la décomposition de l'austénite pendant le refroidissement rapide de l'acier à partir d'un état austénitique. L'interface inclut automatiquement les phases métallurgiques — austénite, ferrite, perlite, bainite et martensite — ainsi que les transformations de phase qui peuvent se produire pendant le procédé de trempe.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Résultat de concentration de carbone sélectionné et un engrenage en acier affiché dans la fenêtre graphique.

Cémentation

L'interface Cémentation est utilisée pour modéliser les procédés de cémentation pendant un traitement thermique. Cette interface permet de définir la concentration en carbone du milieu environnant, de préciser la manière dont le carbone se déplace sur la surface et de définir la manière dont le carbone diffuse à l'intérieur du composant.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Chaleur latente de transformation de phase mis en évidence et la température d'une barre de forme circulaire dans la fenêtre graphique.

Transfert de chaleur avec transformations de phase

L'interface multiphysique Transfert de chaleur avec transformations de phase peut être utilisée pour modéliser les transformations de phase métallurgiques pendant un traitement thermique. Le module Metal Processing modélise le transport de chaleur en utilisant l'équation complète de la chaleur. Un couplage multiphysique est automatiquement mis en place pour tenir compte de la chaleur latente. La conductivité thermique, la densité et la capacité thermique spécifique peuvent dépendre de la température et également de la composition de la phase. Par exemple, la conductivité thermique de l'austénite est différente de celle de la ferrite et, au fur et à mesure que les fractions de phase évoluent, la conductivité thermique du matériau composé évolue également.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec l'interface Transformation de phase alpha–beta mise en évidence et un modèle de plaque de titane dans la fenêtre graphique.

Transformation de phase dans les alliages de titane

L'interface Transformation de phase alpha–beta est une version plus spécifique de l'interface Transformation de phase métallurgique permettant de modéliser la formation et la dissolution de différentes phases alpha pendant le chauffage et le refroidissement d'un alliage de titane alpha–beta traité thermiquement. L'interface inclut automatiquement les phases métallurgiques —beta, alpha Widmanstätten et alpha martensitique ;— et les transformations de phase pour la formation et la dissolution des phases alpha.

Vue rapprochée des réglages de la fonctionnalité Composition de l'acier et d'un engrenage conique dans la fenêtre graphique.

Transformations de phase basées sur la microstructure

Le modèle de transformation de phase basé sur la microstructure peut être utilisé pour modéliser la décomposition de l'austénite à partir d'informations microstructurales et chimiques. Cette fonctionnalité réduit la nécessité d'un travail expérimental chronophage pour calibrer les modèles de transformation de phase.

Le nœud Composition de l'acier est utilisé pour spécifier la composition chimique, le diagramme Fe–C et la taille des grains d'austénite de l'acier avant de sélectionner la formulation du modèle de transformation de phase Basé sur la microstructure.

Elargissez vos capacités de modélisation avec le module Metal Processing

Comme pour les autres produits de la suite logicielle, lorsque le module Metal Processing est ajouté à COMSOL Multiphysics®, les caractéristiques et les fonctionnalités sont entièrement intégrées à la méthodologie de modélisation et prêtes à être utilisées avec tout autre module ajouté. Par exemple, le module Metal Processing peut être combiné avec:

  • le module Nonlinear Structural Materials pour réaliser des études détaillées des contraintes et déformations résiduelles dans les simulations de trempe.
  • le module Heat Transfer pour combiner les effets du rayonnement thermique qui peuvent être pertinents dans une situation de trempe.
  • le module AC/DC pour effectuer des simulations de durcissement par induction lorsque le champ de température calculé à partir d'une simulation de chauffage par induction est utilisé comme donnée d'entrée d'une simulation de trempe
Une vue détaillée des contraintes sur une barre métallique circulaire.
Une vue détaillée de la température et des champs électromagnétiques d'un modèle de lingot d'acier.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation est unique.

Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des ressources détaillées qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir l'option la plus adaptée à vos besoins en matière de licence.

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