Couplage contrainte-diffusion. Du problème des interstitiels à la nitruration gazeuse de l’acier

For many years, the understanding of the coupling between a mechanical (applied or residual) stress field and a chemical field in a material diffusion process has been an important area of study. Long-range interstitial diffusion, for example in the case of gas nitriding, causes strong stress gradients associated with phase transformations (short-range diffusion). The phenomena of diffusion-precipitation are known and simulated in the laboratory. However, the stress-diffusion coupling (short or long range) remains an important problem. Two significant phenomena on long-range diffusion have been highlighted: the effect of a homogeneous stress (Fickian term) and the stress gradient as a driving force (Nersntien term). In addition, mechanical pretreatment is frequently used with thermochemical treatments, resulting in rarely decoupled phenomena of incompatible plastic strains and residual stresses. In this study numerical approaches limited to long-range diffusion and experimental approaches were carried out to investigate these issues. The stress-diffusion coupling is the subject of numerical simulations in 1D (2D axisymmetric) and 2D using the thermodynamics of irreversible processes. The effects of a homogeneous stress and a stress gradient were demonstrated by numerical simulations that were applied to a binary system (Fe-N). The results revealed that the Fickian coupling factor (σ_kk β) must be about 100 times larger than the diffusion coefficient D to have a significant impact on the kinetics.In order to compare these theoretical results with reality, nitriding experiments on the steel grade 33CrMoV12-9 were carried out. In particular, the influence on the diffusion kinetics of: a residual stress gradient (i.e. elastic strain gradient ∇ε^e); an applied stress gradient (i.e. elastic strain gradient ∇ε^e); a homogeneous plastic strain ε^P, a plastic strain gradient ∇ε^P. The results showed small differences on the diffusion kinetics as observed in the numerical simulations.Depuis de nombreuses années, la compréhension du couplage entre un champ de contraintes mécaniques (appliquées ou résiduelles) et un champ chimique dans un processus de diffusion de la matière est un domaine d'étude important. La diffusion interstitielle à longue distance, dans le cas par exemple de la nitruration gazeuse provoque de forts gradients de contraintes associés à des transformations de phase (diffusion à courte distance). Les phénomènes de diffusion-précipitation sont connus et simulés au sein du laboratoire. Le couplage contrainte-diffusion (à courte ou longue distance) reste cependant un problème important. Deux phénomènes significatifs sur la diffusion à longue distance ont été soulignés : l'effet d'une contrainte homogène (terme Fickien) et le gradient de contraintes comme force de transport (terme Nersntien). De plus, un prétraitement mécanique est fréquemment utilisé avec les traitements thermochimiques, ce qui entraîne des phénomènes rarement découplés de déformations plastiques incompatibles et de contraintes résiduelles. Dans cette étude des approches numériques limitées à la diffusion à longue distance et des approches expérimentales ont été réalisées pour aborder ces questions. Le couplage contrainte-diffusion fait l'objet de simulations numériques en 1D (2D axisymétrique) et 2D utilisant la thermodynamique des processus irréversibles. Les effets d’une contrainte homogène et d'un gradient de contraintes ont été mis en évidence par des simulations numériques qui ont été appliquées à un système binaire (Fe-N). Les résultats ont révélé que le facteur de couplage fickien (σ_kk β) doit être environ 100 fois supérieur au coefficient de diffusion D pour avoir un impact significatif sur la cinétique.Afin de confronter ces résultats théoriques à la réalité, des expériences de nitruration sur la nuance d’acier 33CrMoV12-9 ont été effectuées. Des essais particuliers ont permis d'observer l'influence sur les cinétiques de diffusion : d'un gradient de contraintes résiduelles (i.e. gradient de déformation élastique ∇ε^e); d'un gradient de contraintes appliquées (i.e. gradient de déformation élastique ∇ε^e); d'une déformation plastique homogène ε^P, d'un gradient de déformation plastique ∇ε^P. Les résultats ont montré de faibles différences sur les cinétiques de diffusion comme observées lors des simulations numériques