Genèse des contraintes résiduelles de nitruration. Étude expérimentale et modélisation - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 1992

Genèse des contraintes résiduelles de nitruration. Étude expérimentale et modélisation

Laurent Barrallier

Abstract

Nitriding of steel parts leads to an increase in their service lifetime as a result of the improvement in the fatigue strength of the material due to surface hardening in combination with the generation of residual compressive stresses in the near-surface layers. A new method for calculating the local changes in volume is proposed.This method is based on a thermodynamical evaluation of the volume fractions of the various types of precipitates existing at equilibrium in the nitrided layer. A theoretical approach using micromechanical concepts has put into evidence that the residual stress fields built up in each phase are essentially different and hence different from the average stress field. Experimental checking has been performed using the X-ray diffraction technique to establish the residual stress depth profiles in the ferrite phase and the hole-drilling method to determine the mean residual stress field as a function of depth in the nitrided layer. The analysis of the diffraction peak profiles has shown that the residual plastic strains are negligible in nitrided layers. The integral breadth of the diffraction peaks is almost exclusively indicative of the number-average crystallite size in the ferrite phase. In addition, direct observations in the TEM have confirmed that plastic deformation is localized in the vicinity of the precipitates. Residual stress relaxation has been investigated as a function of time and temperature. It appeared clearly that the relaxation phenomena are closely related to the diffusion of nitrogen during the process and that the residual fields generated nitriding show a high degree of thermal stability. Application of the proposed method to the prediction of the mechanical behaviour of a thin plate nitrided on one side confirms the previous results. Such a specimen could be used as a means of evaluating the intensity of a particular nitriding operation in common industrial practice (patent pending)
Le traitement thermochimique de nitruration des aciers conduit à l'augmentation de leur durée de vie en fatigue comme conséquence de l'amélioration de la résistance à la fatigue du matériau due au durcissement superficiel et à la génération d'un champ de contraintes résiduelles de compression. Il a été possible d'effectuer un calcul original de la variation locale de volume à partir de la répartition des différents types de précipités qui ont été déterminés en utilisant un calcul thermodynamique direct. A partir d'une modélisation utilisant un modèle micromécanique, l'étude montre que les contraintes résiduelles dans les différentes phases, présentes dans la couche nitrurée, sont différentes des contraintes moyennes dans le matériau. Ce modèle a été confronté à l'expérimentation qui a permis de déterminer les contraintes dans la matrice en utilisant la diffraction des rayons X et les contraintes moyennes dans le matériau en employant la méthode du trou incrémentale. Parallèlement, une analyse des profils de diffraction complétée par une étude microscopique a permis de remarquer que les déformations plastiques résiduelles dans la couche nitrurée sont très faibles et localisées autour des précipités et que la largeur intégrale des pics de diffraction semble être principalement une indication de la taille des domaines cohérents de diffraction. Cette étude a été complétée par l'analyse de la relaxation des contraintes résiduelles en fonction du temps et de la température. Le phénomène de relaxation correspond à la poursuite de la diffusion de l'azote et les contraintes sont stables thermiquement. Par ailleurs, l'application du modèle dans le cas d'une plaque mince nitrurée d'un seul côté a permis de confirmer que les contraintes dans la ferrite ne sont pas égales aux contraintes moyennes. Ce type d'éprouvette peut constituer un moyen de contrôle industriel en donnant une indication sur l'intensité de nitruration (dépôt de brevet en cours).
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Dates and versions

pastel-00005978 , version 1 (10-04-2010)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00005978 , version 1

Cite

Laurent Barrallier. Genèse des contraintes résiduelles de nitruration. Étude expérimentale et modélisation. Engineering Sciences [physics]. Arts et Métiers ParisTech, 1992. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00005978⟩

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