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Trempe au laser : analyse numérique et expérimentale de l'effet du durcissement au laser sur les propriétés mécaniques en statique et en fatigue de l'acier AISI 4340

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Fakir, Rachid (2019). Trempe au laser : analyse numérique et expérimentale de l'effet du durcissement au laser sur les propriétés mécaniques en statique et en fatigue de l'acier AISI 4340. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 186 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: Le durcissement au laser en surface est de plus en plus utilisé par l'industrie du transport civil et militaire pour l'amélioration de la dureté, la résistance à l'usure, la résistance mécanique en statique et en fatigue des composantes structurelles tout en conservant indemnes les propriétés de la masse telle que la ténacité et la ductilité. La maîtrise de ce procédé nécessite une connaissance précise des facteurs physiques qui influencent la réponse du procédé telles que le type du matériau, le fini de surface, le coefficient d'absorption, la puissance laser, l'angle d'incidence du faisceau laser et la vitesse de déplacement de la tache focale. En ayant pour but le développement des techniques de prédiction de la profondeur durcie, et des propriétés mécaniques en statique et en fatigue d'un cylindre en acier AISI 4340 en haute vitesse de rotation, cette recherche répond à six objectifs particuliers : 1/ Analyse des propriétés mécaniques de l'acier AISI 4340 traité thermiquement dans la masse en utilisant un four de laboratoire et refroidi dans trois fluides différents. 2/ Analyse numérique par la méthode des différences finies (MDF) et validation expérimentale, du durcissement au laser en un point stationnaire (sans vitesse de balayage) d'un cylindre d'acier AISI 4340 en rotation. 3/ Investigation numérique MDF du durcissement au laser d'une éprouvette cylindrique en acier AISI 4340, en introduisant le déplacement du faisceau laser au niveau des conditions aux limites. 4/ Analyse numérique par la méthode des éléments finis (MEF) et validation expérimentale, de la variation du profil de dureté dans le cas d'une trempe au laser (puissance constante) appliquée à des éprouvettes cylindriques en acier AISI 4340.
5/ Optimisation de la profondeur durcie d'un cylindre en acier AISI 4340 par la méthode des éléments finis (FEM) et des tests expérimentaux, au moyen d'un contrôle actif des paramètres laser. 6/ Analyse du comportement mécanique en statique et en fatigue d'éprouvettes cylindriques normalisées (ASTM E8) en acier AISI 4340 durcies au laser. L'approche d'analyse de la distribution de la température a été développée sous le logiciel MATLAB pour une discrétisation des équations différentielles en différences finies, a été validée par le logiciel COMOSL et par des tests expérimentaux en laboratoire. L'approche d'analyse de la variation des propriétés mécaniques en statique et en fatigue, en fonction des paramètres de durcissement au laser est fondée sur un plan d'expérience DOE et une analyse de variance corrélée avec la puissance de prédiction des réseaux de neurones. L'approche proposée a permis, de mettre en évidence les variations du coefficient d'absorption en fonction des conditions d'opération, d'analyser la dynamique des échanges thermiques au moyen des nombres adimensionnels, de confirmer la robustesse de la prédiction numérique du profil de température versus la profondeur durcie, et finalement de proposer un modèle robuste de prédiction des propriétés mécaniques en statique et en fatigue avec un écart relatif de moins de 10%.
Finalement, nous montrons qu'il est possible d'uniformiser le profil de dureté par un asservissement des paramètres de durcissement au laser. Et que la trempe autogène peut améliorer de 20 à 40% la limite d'endurance en fatigue pour des spécimens de diamètre de 9 à 10 mm. -- Mot(s) clé(s) en français : Trempe au laser, bilan des échanges thermiques, modélisation numérique, différences finies et éléments finis, analyse de variance, réseaux de neurones, propriétés mécaniques, résistance en fatigue, AISI 4340. -- ABSTRACT: The surface laser hardening is increasingly used by the civilian and military transportation industry for improving hardness, wear resistance, the mechanical resistance in static and fatigue of the structural components while keeping intact the properties of the mass such as toughness and ductility. The control of this process requires a precise knowledge of physical factors, that influence the response of the process like the type of material, the surface finish, the absorption coefficient, the laser power, the angle of incidence of the laser beam and the speed of displacement of the focal spot. With the aim of developing hardened depth prediction techniques, and mechanical properties in static and fatigue of steel AISI 4340, this research meets six specific objectives: 1/ Analysis of the mechanical properties of AISI 4340 steel heat-treated in the mass, using a laboratory oven, and cooled in three different fluids. 2/ Numerical analysis by the finite difference method (FDM) and experimental analysis of laser hardening process at a stationary point (without scanning speed) of a cylinder of steel AISI 4340 in rotation. 3/ FDM numerical investigation of the laser hardening process, of a cylinder in steel AISI 4340, by introducing the displacement parameter of the laser source at the boundary conditions. 4/ Numerical analysis by the finite element method (FEM) and experimental validation of the variation of the hardness profile in the case of laser hardening (constant power) applied to cylindrical specimens of steel AISI 4340. 5/ Optimization of the case depth of a steel cylinder AISI 4340 by the finite element method (FEM) and experimental tests by means of an active control of the laser parameters. 6/ Analysis of mechanical behavior in static and fatigue of standard cylindrical specimens (ASTM E8) in AISI 4340 steel heat-treated by laser.
The analysis approach of the temperature distribution has been developed in the MATLAB software for a discretization of differential equations in finite difference method, and has been validated by the COMSOL software and by experimental tests in the laboratory. The analysis approach of the variation of mechanical properties in static and fatigue, according to the laser hardening parameters is based on a DOE experience plan and an analysis of variance correlated with the predictive power of neural networks. The proposed approach allowed to highlight the variations of the absorption coefficient according to the operating conditions, to analyze the dynamics of thermal exchanges by means of adimensional numbers, to confirm the robustness of the numerical prediction of the temperature profile versus the case depth, and finally to propose a robust model for predicting mechanical properties in static and fatigue with a relative difference of less than 10%. Finally, we show that it is possible to regularize the hardness profile by a servo control of the laser hardening parameters. And that autogenous laser quenching can improve the fatigue endurance limit by up to 20-40% for specimens with a diameter of 9 to 10 mm. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Laser hardening, balance of thermal exchanges, numerical modeling, finite difference method and finite element method, analysis of variance, neural networks, mechanical properties, fatigue resistance, AISI 4340.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Barka, Noureddine
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse : Brousseau, Jean
Information complémentaire : Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie en vue de l'obtention du grade de maître ès sciences appliquées (M.Sc.A.).
Mots-clés : Acier 4340 Cylindre Traitement Thermique Trempe Laser Durete Propriete Mecanique Fatigue Modelisation
Départements et unités départementales : Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 04 mars 2020 14:49
Dernière modification : 04 mars 2020 14:49
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1483

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