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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 chauffage ou un refroidissement à partir d'une température élevée, des transformations de phase métallurgiques peuvent se produire. Le module Metal Processing est un produit complémentaire au logiciel de simulation COMSOL Multiphysics® qui vous aide à 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 intentionnelles (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), ainsi que la fonctionnalité pour le recuit. Les capacités multiphysiques intégrées vous aident à améliorer les performances d'un composant en optimisant la composition des phases.

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Un modèle d'engrenage droit en métal gris avec une petite section représentée en rouge, blanc et bleu.
Trois modèles d'un lingot d'acier montrant la fraction de phase de la martensite, la déformation plastique et la contrainte axiale.

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 caractéristiques et des fonctionnalités spécialisées pour faciliter la configuration des modèles pour ce procédé multiphysique.

Après le lancement de l'analyse, vous examinez 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 certain agent de trempe et sur la manière dont la géométrie physique d'un composant affecte la composition de phase atteignable en volume.

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 visualisé en orange, jaune et vert, où une tranche est 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, permet de modéliser le recuit. Il est ainsi possible 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.

Une vue rapprochée des réglages de Transformation de phase et un graphique 2D de la fraction de phase de l'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. Avec la caractéristique Phase métallurgique, vous définissez la fraction de phase initiale et les propriétés du matériau ; avec la caractéristique Transformation de phase, vous définissez la phase source, la phase destination et le modèle de transformation de phase.

Pour les transformations de phase contrôlées par diffusion, comme lorsque l'austénite se décompose en ferrite, trois types de modèles de transformation de phase sont fournis : Leblond–Devaux, Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov (JMAK) et Kirkaldy–Venugopalan. Le modèle Koistinen–Marburger est disponible pour la modélisation des 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 vous avez la possibilité d'importer les données du logiciel JMatPro®.

En plus de la modélisation des transformations de phase dans les aciers, vous pouvez modéliser des métaux tels que les alliages de titane, qui sont fréquemment utilisés dans la fabrication additive, et vous avez la liberté de définir vos propres modèles de transformation de phase.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud de Décomposition austénitique en surbrillance 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 vous 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 Optimisation en surbrillance et un diagramme TTT dans la fenêtre graphique.

Calibration des modèles de transformation de phase

Lorsque vous définissez vos modèles personnalisés de transformation de phase pour les utiliser dans une simulation, un étalonnage expérimental peut être nécessaire pour une transformation de phase donnée. Vous pouvez calculer des diagrammes de transformation de phase communs pour faciliter l'étalonnage par rapport aux données expérimentales, tels que la transformation par refroidissement continu (CCT) et les diagrammes temps–température-transformation (TTT). Notez que le module Optimization est nécessaire pour l'étalonnage par rapport aux données TTT.

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.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec trois noeuds physiques en surbrillance et trois résultats de modèle d'une billette d'acier dans la fenêtre graphique.

Trempe des aciers

Une interface multiphysique prédéfinie Trempe des aciers est disponible et configure automatiquement votre simulation de trempe d'acier. Elle ajoute une interface Décomposition austénitique ainsi que des interfaces Mécanique des solides et Transfert de chaleur dans les solides. 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 et ne provoquerait pas d'écoulement plastique au sens de la plasticité classique.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Transformation de la phase métallurgique en surbrillance 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 dans les solides et Mécanique des solides. Les propriétés des matériaux sont définies séparément pour chaque phase métallurgique et vous avez la possibilité de les importer à partir du logiciel JMatPro®.

Outre la modélisation des transformations de phase dans les aciers, vous pouvez modéliser des métaux tels que les alliages de titane, qui sont fréquemment utilisés en fabrication additive, et vous avez la liberté de définir vos propres modèles de transformation de phase.

Étendez vos modélisations avec le module Metal Processing

Comme pour les autres produits de la gamme, lorsque vous ajoutez le module Metal Processing à COMSOL Multiphysics®, les caractéristiques et les fonctionnalités sont entièrement intégrées à la méthodologie de modélisation et prêtes à être utilisées avec tous les autres modules que vous pouvez avoir. Par exemple, vous pouvez combiner le module Metal Processing 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 où vous utilisez le champ de température calculé à partir d'une simulation de chauffage par induction en 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 sont différents.

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 exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les plus adaptées à vos besoins.

Il vous suffit de cliquer sur le bouton "Contacter COMSOL", d'indiquer vos coordonnées et tout commentaire ou question spécifique, avant de soumettre votre demande. Vous recevrez une réponse d'un représentant de COMSOL très rapidement.

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