Modélisation de la trempe gazeuse haute pression : application aux aciers de cémentation et de trempe, High pressure gas quenching modelling : application to carburizing and quenching steels

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE




THESE



Modélisation de la trempe gazeuse haute pression
Application aux aciers de cémentation et de trempe


Collaboration

LABORATOIRE DE SCIENCES ET GENIE DES MATERIAUX METALLIQUES (LSG2M)
Ecole Nationale Supérieure des Mines de Nancy
CENTRE DE RECHERCHE CLAUDE-DELORME
Air Liquide S.A.



Pour obtenir le titre de

DOCTEUR DE L’I.N.P.L.
Ecole Doctorale : ENERGIE MECANIQUE MATERIAUX (EMMA)
Spécialité : MECANIQUE ENERGETIQUE



Par

Jean-François DOUCE
Ingénieur Civil de l’Ecole des Mines de Nancy


Soutenue publiquement le 14 Novembre 2008 devant le jury composé de :

Monsieur Pierre ARCHAMBAULT Président
Madame Anne-Marie HABRAKEN Rapporteur
Monsieur Eric ARQUIS
Monsieur Pascal LAMESLE Examinateur
Madame Sabine DENIS Directeur de thèse
Monsieur Jean-Pierre BELLOT « Modélisation de la trempe gazeuse haute pression : application aux aciers de cémentation et de trempe »
J.F. Douce Thèse de Doctorat INPL 18/12/2008

























A ma mère
1 « Modélisation de la trempe gazeuse haute pression : application aux aciers de cémentation et de trempe »
J.F. Douce Thèse de Doctorat INPL 18/12/2008
Avant Propos


On dit souvent que le doctorat est un travail solitaire… et c’est entièrement vrai, mais aussi
entièrement faux ! Entièrement vrai parce que l’expertise poussée développée sur son sujet vous
rend finalement seul maître de votre travail scientifique, surtout à la fin de la thèse. Mais
entièrement faux également car aucune thèse ne pourrait voir le jour sans le soutien de ses pairs,
de ses proches et sans l’émulation qu’elle suscite autour de nous, pauvres doctorants solitaires…
Ce travail ne fait absolument pas exception à cette règle, aussi je tiens à remercier vivement
toutes les personnes sans qui ce mémoire n’existerait pas aujourd’hui.
Messieurs Jean-Marie Dubois, Pierre Archambault et Denis Ablitzer et Madame Elisabeth
Gautier pour m’avoir accueuilli au sein de leur laboratoire ou de leur groupe de travail et pour
tout le soutien et la confiance qu’ils m’ont apporté.
Madame Sabine Denis et Monsieur Jean-Pierre Bellot pour leurs conseils, leurs enseignements et
pour tous les efforts qu’ils ont consentis, sans ménagement, pour diriger ce travail, parfois même
le week-end. Je tiens tout particulièrement à les remercier pour leur soutien et leur confiance sans
faille tout au long de ce long périple.
Toutes les personnes du CRCD (Air Liquide) qui ont rendu ce travail possible et m’ont accordé
leur confiance : Pierre Bruchet, Linda Lefèvre, Stéphanie Girard, Florent Chaffotte, Giulio
Pellegrino, Savine Bockel-Mackal, Florence Gouhinec. Merci à tous de m’avoir fourni les
moyens, l’aide et les conseils pour réaliser ce travail et de m’avoir fait découvrir le monde de la
recherche en entreprise qui m’attirait tant.
Les personnes avec lesquelles la partie expérimentale de ce travail a été réalisée : Pascal
Lamesle, Florence Gouhinec et Julien Maury pour toutes les semaines aux journées
interminables, pour leur aide et pour tous les bons moments que nous avons partagés à Albi.
Monsieur Malterre, Monsieur Souhar et Madame Catherine Denis pour leur soutien et leur
confiance, et pour m’avoir laisser aller au bout de ce travail.
Madame Anne-Marie Habraken et Monsieur Eric Arquis pour avoir accepter d’être les
rapporteurs de cette thèse, ainsi que tous les membres du jury.
Bernard Dussoubs pour toute l’abnégation avec laquelle il se met au service des autres, des
thésards notamment et de moi-même, comme tout le monde.
Toutes les secétaires du laboratoire : Laurence, Géraldine, Josette, Lily, Martine et Marylin pour
leur bonne humeur communicative, leur patience avec moi et leur aide précieuse pour la partie
administrative de la thèse en particulier, dans laquelle elles savent aujourd’hui que j’excelle
particulièrement (rires…).
Tous mes collègues, thésards ou non avec qui j’ai passé des années inoubliables : Bob, Mike,
Humberto, Olivier, Valentine, Julien, Maurice, Aude, Ana-Maria, Dave, Ch’ti, Sanglier, Yannick,
Virginie, Robert, Mohammed, Marco, Sam… (pardon à ceux qui se retrouvent dans les 3 points)
Mon père, ma famille et tous mes proches pour m’avoir soutenu, même à distance, avoir cru en
moi jusqu’au bout sans hésiter non plus à gentiment me donner des petits coups de fouet aux
moments opportuns. Merci, cette thèse ne serait pas là sans vous.
Estelle, pour toutes ces heures, ces journées, ces semaines et finalement tous ces mois arrachés à
notre vie à deux et sacrifiés sur l’autel de la trempe gazeuse haute pression.
2 « Modélisation de la trempe gazeuse haute pression : application aux aciers de cémentation et de trempe »
J.F. Douce Thèse de Doctorat INPL 18/12/2008

Sommaire

SOMMAIRE............................................................................................................. 3
NOMENCLATURE................................................................................................... 5
INTRODUCTION ..................................................................................................... 9
CHAPITRE A LA TREMPE GAZEUSE HAUTE PRESSION : MECANISMES MIS EN JEU
ET ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE.......................................................................... 11
A. I. CONTEXTE ET DESCRIPTION DU PROCEDE .................................................................. 11
1. Contexte technico-économique .................................................................................... 11
2. Le procédé de trempe gazeuse et les phénomènes physiques mis en jeu ..................... 13
A. II. ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE ..................................................................................... 16
1. Les écoulements à hauts nombres de Reynolds............................................................ 16
2. Les transferts de chaleur en régime turbulent ............................................................. 20
3. Application au cas de la trempe gazeuse haute pression............................................. 29
4. Résumé de l’analyse bibliographique .......................................................................... 40
A. III. OBJECTIFS ET DEMARCHE DE L’ETUDE.................................................................... 41
CHAPITRE B MODELISATION DES PHENOMENES PHYSIQUES MIS EN JEU LORS DE
LA TREMPE GAZEUSE : TECHNIQUE DE COUPLAGE DES CODES FLUENT ET
SYSWELD ............................................................................................................. 43
B. I. SIMULATION DES ECOULEMENTS GAZEUX ET DES TRANSFERTS DE CHALEUR A LA
PAROI.................................................................................................................................... 43
1. Equations résolues et conditions aux limites ............................................................... 43
2. Géométrie et maillages................................................................................................. 46
3. Résultats de simulation pour un écoulement perpendiculaire à l’axe d’un cylindre et
choix d’un modèle de turbulence ..................................................................................... 48
4. Résultats de simulation pour un écoulement parallèle à l’axe d’un cylindre.............. 56
B. II. COUPLAGE DES DEUX CODES DE