v4.61.103 MTLP103 - Trempe d’un barreau cylindrique en acier 16MND5

Résumé:

Ce cas-test constitue une validation des modèles de transformations métallurgiques au refroidissement dans les aciers. Il s’agit de la trempe d’un barreau cylindrique en acier 16MND5, pour lequel des données expérimentales de mesures de duretés finales sont disponibles. Le calcul de thermique non linéaire de la phase de refroidissement est tout d’abord effectué à partir de l’identification d’un coefficient d’échange thermique (lorsque le barreau est dans l’air), puis d’une densité de flux surfacique fonction du temps sur la frontière extérieure (lors de la trempe). Ces conditions aux limites ont été identifiées grâce à des mesures de températures par thermocouples effectuées lors de l’essai. Le calcul de l’évolution métallurgique est ensuite effectué en post-traitement du calcul thermique. Les valeurs de duretés finales calculées (dépendantes des proportions de phases formées) sont comparées aux mesures effectuées en différents points de la section du barreau.

Solution de référence

Il n’existe pas de solutions analytiques. Cependant des résultats expérimentaux sont disponibles (mesures de dureté).

Résultats de référence

Calcul thermique: Température aux points T0, T9, T10 aux instants \(t=13 \, s\), \(t=20 \, s\) et \(t=30 \, s\).

Calcul métallurgique: Profils de dureté à \(t=240 \, s\) pour les segments H5, H10, H15, H25, H35, H38, H45, H55, H65, et H75.

Références bibliographiques

[bib1]

A. Bebey-Fourcot, F. Waeckel, Note EDF DER HI-74/98/003/0. Validation des modèles métallurgiques du Code_Aster via la simulation de deux trempes (10 juillet 1998).

Modélisation A

Caractéristiques de la modélisation

Modélisation axisymétrique

Par raison de symétrie, on ne maille qu’une demi-section.

Fig. 565 Maillage du test

Conditions aux limites:

• Sur \(z = 75 \, mm\), on a une condition adiabatique du fait de la symétrie. Le flux est nul \(\phi =0\)

• Sur \(x = 50 \, mm\) et \(z = 0 \, mm\). De 0 à 14s, on a \(-\lambda \, \frac{\partial T}{\partial n} = h(T(r,z,t)-{T}_{\infty})\) et de 14s à 240s on a \(-\lambda \, \frac{\partial T}{\partial n}=F(T(r,z,t))\)

Caractéristiques du maillage

Nombre de nœuds:	4316
Nombre de mailles et types:	QUAD8, SEG3

Remarques

105 pas de calcul de 0 à 240s (60 pas de 1s, puis 45 pas de 4s).

Grandeurs testées et résultats

Champs TEMP et DURT_ELNO:

TPN: Température au nœud

HV: dureté de Vickers

La température aux noeuds est évaluée en NON_REGRESSION:

Identification	Grandeur	Référence
T = 13s, nœud TC0	Température	NON_REGRESSION
T = 20s, nœud TC0	Température	NON_REGRESSION
T = 30s, nœud TC0	Température	NON_REGRESSION
T = 13s, nœud TC9	Température	NON_REGRESSION
T = 20s, nœud TC9	Température	NON_REGRESSION
T = 30s, nœud TC9	Température	NON_REGRESSION
T = 13s, nœud TC10	Température	NON_REGRESSION
T = 20s, nœud TC10	Température	NON_REGRESSION
T = 30s, nœud TC10	Température	NON_REGRESSION

La dureté aux noeuds est évaluée par rapport à des mesures:

Position	Nœud	maille	Grandeur	Référence	Mesure	Ecart (%)
R (mm) = 11	N94	M101	HV	SOURCE_EXTERNE	398	8,7
R (mm) = 20	N103	M120	HV	SOURCE_EXTERNE	404	9,1
R (mm) = 29	N112	M137	HV	SOURCE_EXTERNE	408	8,4
R (mm) = 41	N187	M341	HV	SOURCE_EXTERNE	413	2,4
R (mm) = 47	N193	M353	HV	SOURCE_EXTERNE	427	1,2
H =15;R=41	N231	M421	HV	SOURCE_EXTERNE	381	1,7
H =15;R=47	N237	M433	HV	SOURCE_EXTERNE	401	0,4
H=25;R=41	N275	M501	HV	SOURCE_EXTERNE	355	1,1
H=25;R=47	N281	M513	HV	SOURCE_EXTERNE	396	0,5
H=35;R=41	N319	M581	HV	SOURCE_EXTERNE	345	6,4
H=35;R=47	N325	M593	HV	SOURCE_EXTERNE	425	7,0
H=45;R=41	N363	M661	HV	SOURCE_EXTERNE	335	2,7
H=45;R=47	N369	M673	HV	SOURCE_EXTERNE	425	7,0
H=55;R=41	N407	M741	HV	SOURCE_EXTERNE	370	7,2
H=55;R=47	N413	M753	HV	SOURCE_EXTERNE	430	8,1
H=65; R=41	N451	M821	HV	SOURCE_EXTERNE	350	2,0
H=65; R=47	N457	M833	HV	SOURCE_EXTERNE	410	3,6
H=75; R=41	N3148	M901	HV	SOURCE_EXTERNE	330	4,1
H=75; R=47	N3154	M913	HV	SOURCE_EXTERNE	425	7,0

Synthèse des résultats

La comparaison calcul-mesures en termes de dureté est satisfaisante (moins de 10% d’écart relatif). Ce cas-test permet donc de valider le modèle de comportement au refroidissement de l’acier.