Prise en compte des contraintes résiduelles de traitement thermique dans la prédiction de la tenue en service des culasses en aluminium

Thermal treatment residual stresses and high cycle fatigue of an aluminum alloy cylinder head

¹ PSA Peugeot Citroën, Direction de la Recherche et de l'Innovation, route de Gisy, 78943 Vélizy Villacoublay, France
² Laboratoire de Mécanique des Solides, CNRS UMR 7649, Dpt. de Mécanique, École polytechnique, 91128 Palaiseau, France
³ UME/ENSTA, Chemin de la Hunière, 91761 Palaiseau, France

Auteur de correspondance : maclan.nguyen@mpsa.com

Reçu : 25 Février 2005
Accepté : 21 Mars 2005

Résumé

Cet article porte sur la modélisation des culasses aluminium de moteurs diesel HDI en vue de prédire leur tenue en fatigue polycyclique. Celles-ci, avant d'être frettées, serrées sur le bloc moteur et utilisées en service, subissent un traitement thermique (trempe et revenu) afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques. Lors de ce procédé d'importantes contraintes résiduelles sont générées. Leur modélisation est nécessaire pour obtenir des résultats numériques prédictifs. Une première difficulté vient de la modélisation des échanges thermiques. Pour cela, le choix d'une fonction analytique simple pour le coefficient d'échange H = f(T_paroi), suivi de l'optimisation des différents paramètres, a permis de modéliser les courbes de refroidissement. Une fois l'histoire thermique de la culasse modélisée, un calcul mécanique élastoplastique permet de déterminer les contraintes résiduelles. Celles-ci, fortement de traction dans la zone à risque, sont défavorables à la tenue à la fatigue polycyclique de la pièce dans le cas de la trempe à l'eau. La prise en compte de l'état résiduel de fin de traitement thermique dans la filière de dimensionnement à la fatigue polycyclique permet alors de caractériser les zones à risque expérimentalement observées.

Abstract

This paper deals with the computational modeling of the high cycle fatigue of the aluminum cylinder head (HDI diesel engine). Before being shrinked on, fixed onto the engine block and used, these components are submitted to a thermal treatment (quenching and ageing) to improve their mechanical properties. This gives rise to large residual stresses during quenching and therefore its modeling becomes necessary in order to obtain accurate numerical prediction. A series of tests was carried out at the PSA Peugeot Citroën production line from which the experimental cooling curves were determined. The experimental data were fitted with a simple analytical function H = f(T_wall). Then, once the parameter identification was achieved, the remaining residual stresses followed from a simple mechanical analysis. It was found that the stresses in the local cracking failure area are tensile and therefore strongly unfavorable for the high-cycle fatigue endurance in the case of water quenching. In addition, the account of the residual stresses in the fatigue dimensioning, at the end of the thermal treatment, leads to predictions for the risk regions which are consistent with the experimental observations.