Academic literature on the topic 'Acier à haute limite d’élasticité'

La sensibilité à l’hydrogène d’un acier de type S690QL a été étudiée par une approche locale de la rupture. Des essais de fatigue ont été réalisés à l’air et en milieu salin sous protection cathodique sur des éprouvettes micro-entaillées. La fissure a été contrôlée en cours d’essai par une méthode de suivi électrique. La réponse mécanique du matériau en avant de l’entaille a été simulée par calculs par éléments finis.Les mécanismes de fatigue ont été étudiés par une méthode permettant d’isoler une contrainte interne et deux composantes de la contrainte effective, activée et non-activée thermiquement. L’effet de l’hydrogène sur ces contraintes a également été étudié.Pour comprendre le phénomène de piégeage de l’hydrogène dans la microstructure de cet acier, des tests de perméation électrochimique et de désorption thermique ont été réalisés. Les paramètres expérimentaux ainsi déterminés sont utilisés dans un modèle phénoménologique de la diffusion. Il a été développé pour simuler la répartition locale de l’hydrogène sur des géométries complexes.Les résultats montrent une forte dépendance de l’amorçage de la fissure avec l’accumulation de déformation plastique. Pour les essais de fatigue réalisés sur les éprouvettes entaillées, il ressort que le piégeage dans le champ élastique des dislocations est le phénomène prépondérant dans le mécanisme de fragilisation. Dans le cas d’éprouvettes lisses sollicitées en fatigue oligocyclique, le piégeage dans les murs de cellules de dislocations est majoritaire et l’amorçage de la fissure est certainement localisé sur ces défauts. L’hydrogène affecte également les deux composantes, thermique et athermique, de la contrainte effective
The sensitivity to hydrogen embrittlement of S690QL steels is studied by local approach to fracture. Fatigue tests in air and in saline solution under cathodic protection are performed on micro-notched specimens. Crack is monitored by direct current potential drop method. The mechanical response of the material at the notch-tip is simulated by finite elements calculations.Fatigue mechanisms are investigated by a decomposition method of the flow stress to extract internal stress and the thermal and athermal components of the effective stress. Hydrogen effects on these stresses are also studied.Hydrogen trapping in the microstructure is investigated using electrochemical permeation tests and thermal desorption spectrometry. A phenomenological model is developed thanks to experimental results. This model is able to simulate the local hydrogen concentration in samples with complex geometry.Our results show that crack initiation is highly dependent on the plastic strain accumulation. For fatigue tests on micro-notched specimens, hydrogen trapping in dislocations elastic field is the predominant phenomena in the embrittlement mechanism. For smooth specimens under low cycle fatigue testing, hydrogen trapping in dislocations cells walls is significant and crack initiation is probably localized in this microstructural defect. Both components of the effective stress are also influenced by hydrogen

La fabrication additive est un procédé de plus en plus utilisé au fil des années et plus spécifiquement par les industriels qui l’emploient pour la fabrication de pièces composées d’alliages à haute valeur ajoutée. Parmi ces procédés d’impression 3D industriels, la fabrication additive laser-fil (WLAM) s’est récemment développée grâce à l’arrivée de nouvelles têtes laser permettant l’apport d’un fil coaxial au faisceau laser, qui est, quant à lui, de forme annulaire. Cette technologie encore récente offre une plus grande flexibilité de fabrication et permettrait d’obtenir une meilleure qualité des pièces fabriquées. Néanmoins, le comportement et les interactions en cours de dépôt du procédé WLAM restent peu connus. Par conséquent, ces travaux ont visé à définir les limites actuelles du procédé WLAM équipé d’une tête à faisceau coaxial afin d’apporter des améliorations techniques pour étendre son application à l’échelle industrielle. Pour cela, trois alliages ont été étudiés à savoir un acier à haute limite d’élasticité, l’Inconel 625 et la stellite 6G. Ainsi, l’étude du domaine de stabilité a été menée en faisant varier les principaux paramètres identifiés qui sont la puissance laser, la vitesse de fil, la vitesse de déplacement, la distance de travail et le diamètre de la fibre optique utilisée. Une modélisation du faisceau annulaire a été réalisée pour explorer l’influence de la proportion d’éclairement sur le fil et le substrat, pour chaxun des deux diamètres de fibre utilisés. Ces études paramétriques ont permis d’évaluer les capacités du procédé WLAM pour cette configuration de tête laser et ont mis en évidence l’importance d’adapter les paramètres tels que la puissance laser ou la distance de travail en cours de fabrication afin d’assurer un dépôt stable. Ainsi, l’utilisation de boucle d’asservissement pour adapter ces deux paramètres en cours de dépôt a été appliqué. Pour cela, un pyromètre et un capteur de distance utilisé pour respectivement mesurer la température du bain de fusion et la hauteur des couches ont montré des résultats probants pour obtenir une bonne stabilité du procédé. Ainsi, des géométries réalisées en acier HLE ou en Inconel 625 ont été déposées sans instabilités majeures sur plus de cents couches. En parallèle, des optimisations de paramétrie et des stratégies de remplissage ont été explorées pour ce procédé afin de limiter l’apparition de défauts. Pour finir, des caractérisations microstructurales et mécaniques ont été réalisées sur les alliages utilisés en WLAM. Afin d’introduire l’application de ce procédé aux pièces à gradients de fonction, les trois alliages employés ont été déposés au sein d’une même pièce
Additive manufacturing has been widely used over the last few decades, especially by industrial companies that adopt it to produce parts made from high value-added alloys. Among these industrial 3D printing processes, the wire laser additive manufacturing (WLAM) has advanced by the emergence of new laser heads that enable a coaxial wire to a ring laser beam. This novel technology offers greater manufacturing flexibility, and could lead to higher quality parts. However, the behavior and interactions of the WLAM process during deposition are not well understood. Consequently, the aim of this work was to define the current limits of the WLAM process equipped with a coaxial laser head to bring, in a second step, technical improvements needed to extend its application to industrial scale. For this purpose, three alloys were studied which are : an high strength low alloy (HSLA), Inconel 625 and a stellite 6G. From these feedstocks, a study of the stability domain was carried out by varying the main parameters such as laser power, wire feed speed, travel speed, working distance and optical fiber diameter. For the two fiber diameters used, the modeling of the ring beam was made to explore the influence of the proportion of wire/substrate irradiance. These parametric studies identified the capabilities of the WLAM process for this laser head configuration, and the importance of monitor parameters such as laser power or working distance during manufacture has been proved. Therefore, the use of control loops to adjust these two parameters during deposition was implemented. For this purpose, a pyrometer and a distance sensor were used to measure the temperature of the melting pool and the layer thickness respectively. Good stability of the process was achieved with their use. Geometries with more than one hundred layers were obtained from HSLA steel or Inconel 625 were deposited without major instabilities. In parallel, the optimization of the parameters and building strategies were carried out for this process to limit defects. Finally, microstructural and mechanical characterizations were conducted on the alloys used with the WLAM. To introduce the application of this process to functionally graded parts, these three alloys were deposited in a single part

Les alliages conducteurs à haute tenue mécanique sont utilisés dans de nombreux domaines tels que le transport, l’énergie et l’industrie électronique. La demande en ces matériaux est croissante. Les alliages Cu-Be constituent à l’heure actuelle les matériaux conducteurs les plus résistants mais posent un problème de toxicité et de coût. Pour proposer une alternative à ces derniers, nous avons étudié des alliages Cu-Mg hypo-eutectiques. Deux voies de synthèse ont été utilisées afin d’obtenir des composites endogènes possédant une combinaison originale de propriétés structurelles et fonctionnelles : le refroidissement conventionnel et la solidification rapide par melt-spinning. Les microstructures obtenues ont en commun la présence d’agrégats eutectiques et diffèrent principalement par la dimension des paramètres métallurgiques tels que la taille de grains et la distance interlamellaire. Les systèmes présentent des forces motrices de transformation de phases importantes conduisant à une précipitation au cours d’un maintien thermique. L’investigation des propriétés mécaniques et électriques des alliages Cu-Mg montre que ces dernières égalent celles des alliages Cu-Be. En complément de l’approche expérimentale, nous avons adapté deux modèles : un modèle thermocinétique pour décrire l’évolution temporelle de la microstructure qui a lieu à haute température et un modèle mécanique permettant de rationaliser l'influence des paramètres microstructuraux sur les propriétés mécaniques et électriques
Copper-based high strength conductive alloys are used in a myriad of applications such as transport, energy and electronic industries. The demand for these materials is booming. The strongest conductive alloy is based on the Cu-Be system which has the disadvantage of toxicity and cost. In an attempt to find an alternative to these, we have developed hypoeutectic Cu-Mg alloys. Two synthesis routes were applied to produce endogenous compounds with a unique combination of structural and functional properties: the conventional cooling and the rapid solidification by melt-spinning. The obtained microstructures share the presence of eutectic aggregates and differ mainly by the size of the metallurgical parameters such as grain size and interlamellar distance. The two systems provide high driving forces for phase transformations leading to precipitation during aging. The investigation of the mechanical and electrical properties of Cu-Mg alloys shows that they are equal to those of the Cu-Be alloys. In addition to experimental approach, we have adapted two models: a thermo-kinetic one to describe time evolution of the microstructure which takes place at high temperature and a mechanical one to rationalize the influence of microstructural parameters on mechanical and electrical properties

Malgré les efforts importants entrepris par les aciéristes pour augmenter la propreté inclusionnaire de leurs aciers, la présence d’inclusions en sous-couches de roulements et butées à billes demeure responsable de nombreux écaillages, qui limitent leurs durées de vie. Pour tout aciériste, être capable de prédire la durée de vie de roulements en fonction des caractéristiques inclusionnaires de ses aciers constitue un enjeu majeur, afin d’optimiser les conditions d’élaboration aux exigences des clients. La plupart des modèles existant ne prennent en compte les caractéristiques inclusionnaires des aciers que de manière très partielle. Par conséquent, le but de cette thèse a été de construire un nouveau modèle qui prenne en compte l’ensemble des caractéristiques inclusionnaires (concentrations, distributions de taille, caractéristiques morphologiques et mécaniques). Pour mettre au point ce nouveau modèle nous avons utilisé une approche alliant caractérisation et modélisation. La microtomograhie X a pour la première fois été appliquée à la caractérisation fine de la morphologie des inclusions. Leurs propriétés mécaniques ont été investiguées par nano-indentation. Les concentrations et distributions de taille ont pour leur part été estimées par échographie ultrasonore haute fréquence. L’ensemble de ces données a ensuite été utilisé pour modéliser l’endommagement provoqué par ces inclusions. Le modèle développé s’appuie sur les calculs de champs de contrainte au voisinage des inclusions, réalisés par la méthode des éléments finis. Ces calculs ont permis de déduire les concentrations de contrainte ainsi que l’étendue des zones plastifiées qui se développent au voisinage des inclusions, dans lesquelles les dislocations s’accumulent, conduisant à l’amorçage de fissures. La propagation de ces fissures jusqu’en surface est alors évaluée à l’aide de lois de Paris. Dans le cas des alignements, un facteur de concentration de contrainte additionnel a été introduit pour rendre compte des interactions entre inclusions constitutives voisines. Cette modélisation a ensuite été mise en œuvre de manière statistique, grâce à la méthode de Monte-Carlo : des lots de butées virtuelles sont construits en distribuant des inclusions et alignements conformément aux concentrations, distributions de taille et autres caractéristiques obtenues expérimentalement. Le modèle a alors fait l’objet d’un calage par comparaison des prévisions numériques à des durées de vie réelles mesurées expérimentalement lors d’essais de fatigue de roulement sur butées à billes. Il est par conséquent opérationnel et constitue un outil intéressant pour prédire la durée de vie de roulements et optimiser les conditions d’élaboration en relation avec les applications visées
Despite important efforts made by steel makers to improve the cleanliness of steel, inclusions are still present in steel and produce spallings when placed in subsurface of bearings. For any steel makers, being able to predict the lifetime of bearings from the inclusion characteristics of the steel is a major challenge. Most of the existing models only take into account part of the inclusions characteristics. The aim of this Ph. D. Thesis is to take into account the most important characteristics (concentrations, size distributions, morphological and mechanical characteristics). To create this new model, an approach based on both characterization and modelling has been used. X-ray micro-tomography has for the first time been applied to the detailed morphological characterization of inclusions. The mechanical properties of these inclusions have been investigated by nano-indentation. Concentrations and size distributions have been obtained thanks to high frequency ultrasounds. All these data have then been used for the modelling. The developed model is based on the calculations of stress fields by finite element method. These calculations have permitted to obtain the stress concentrations produced by the inclusions and the size of the region where plastic strain occurs, in which dislocations accumulate and initiate fatigue cracks. Propagation of these cracks up to the surface has then been modelled by Paris laws. For stringers, an additional stress concentration factor has been introduced in order to take into account the interactions between constitutive inclusions. Once this done, a Monte-Carlo method has been used to virtually distribute inclusions in batches of simulated bearings, in accordance with the concentrations, size distribution and other characteristics obtained experimentally. The free parameters of the model have then been adjusted until a good coherence between numerical predictions and experimental results has been obtained. Consequently, it is now functional and can be used as a good tool to predict lifetime of bearing and optimize the elaborating conditions of steel in relation with the sought applications

Les aciers pour gazoducs doivent posséder un bon compromis entre une limite d'élasticité élevée pour supporter de grandes pressions internes et une bonne ténacité afin de résister à la propagation rapide (quelques centaines m/s) de fissures longitudinales dans le tube. Cela a conduit au développement des aciers bas carbone microalliés produits par laminage à température contrôlée et refroidissement rapide. Les microstructures obtenues sont ferrito-perlitiques et ferrito-bainitiques pour les aciers de plus haut grade. Quatre nuances sont ici étudiées sur les plans métallurgique, microstructural et mécanique pour mettre en évidence les rôles respectifs de la composition chimique et du traitement thermo-mécanique sur les propriétés de rupture. La propagation ductile rapide sur de longues distances est étudiée par une expérience de rupture dynamique de grandes tôles qui permet de reproduire la rupture par cisaillement, consécutive à une localisation de la déformation, observée lors de l’éclatement des gazoducs. La résistance à la propagation sur de grandes distances est évaluée par le taux de dissipation d’énergie, montrant le meilleur compromis limite d'élasticité-ténacité des aciers ferrito-bainitiques. Des essais de rupture quasi-statique se produisent par un mode d'ouverture, mettant ainsi en évidence une transition de mode de rupture ductile. Un essai de rupture a été développé, pour étudier les caractéristiques de cette transition suivant les conditions de sollicitation (vitesse et température), et comparer la sensibilité des différents aciers au cisaillement. Les mécanismes d'adoucissement au cours de la déformation, endommagement ductile et échauffement adiabatique, jouent un rôle prépondérant dans l'apparition de la localisation en cisaillement. La nature, la quantité et la morphologie des particules de seconde phase jouent du point de vue de l'endommagement ductile un rôle capital. La présence d'une multi-population d'amorces de rupture est à prendre en compte pour la simulation numérique de la rupture par cisaillement. Celle-ci est réalisée sur une géométrie de déformation plane à l'aide de l'approche locale de la rupture ductile par l'utilisation de modèles couples ou l'on tient compte du caractère élasto-visco-plastique, anisotrope et endommageable des aciers pour gazoducs. La simulation tridimensionnelle de la propagation de fissure sur de grandes distances montre que l’épaisseur de la tôle a une importance prépondérante sur la résistance à la propagation de fissure. Le comportement anisotrope et la présence de gradients de dureté dans l’épaisseur sont également des paramètres à considérer.

Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet APSTRAM (Allègement et Performance des STRuctures Acier Marine) de l’IRT Jules Verne, s’intéresse à l’endommagement en fatigue à grand nombre de cycles d’un acier ferritique à haute limite d’élasticité HC360LA. La première partie de ce travail est dédiée à la réalisation d’essais de fatigue à contrainte imposée avec différents rapports de charge et différentes conditions initiales (fixées à partir d’un éventuel pré-écrouissage). Ces essais montrent que le pré-écrouissage, obtenu par traction uniaxiale, permet d’augmenter significativement la résistance à la fatigue. Aussi, un effort expérimental est fait pour estimer à partir des mesures de force, d’élongation et de température comment l’énergie de déformation est soit dissipée en chaleur, soit stockée dans le matériau par écrouissage. Les résultats ainsi obtenus montrent qu’il existe à l’échelle macroscopique une corrélation entre l’énergie dissipée et le nombre de cycles à rupture indépendamment des conditions initiales et des conditions de chargement. Cela souligne donc l’importance de la plasticité dans le processus d’endommagement en fatigue de l’acier HC360LA. Un modèle polycristallin de comportement et d’endommagement en fatigue est ensuite proposé. Il repose sur la formulation d’une loi de comportement à l’échelle cristalline qui utilise les ingrédients de la mécanique de l’endommagement pour décrire la dégradation progressive des propriétés mécaniques. La loi de comportement est établie de sorte à considérer le couplage de l’endommagement avec la plasticité, le caractère anisotrope de l’endommagement et l’influence de l’anisotropie des propriétés élastiques. Elle est ensuite implémentée dans un modèle d’homogénéisation afin de prendre en compte le caractère polycristallin de l’acier HC360LA. Le modèle proposé est finalement utilisé pour étudier le comportement en fatigue à l’échelle microscopique. Il permet d’abord de montrer que l’endommagement de fatigue est un processus extrêmement localisé qui ne concerne que quelques cristaux d’orientation particulière. De ce fait, si une diminution de la rigidité est localement observée, les propriétés élastiques macroscopiques sont peu influencées par l’endommagement. Aussi, le modèle permet de souligner que la contribution de l’endommagement à la dissipation de chaleur est négligeable devant celle de la plasticité. La corrélation entre le nombre de cycles à rupture et l’énergie dissipée n’existe donc que parce que l’endommagement de fatigue est le résultat de l’accumulation de déformation plastique
The present work, which is integrated in the IRT Jules Verne APSTRAM project, focuses on the high cycle fatigue behavior of a ferritic high-strength low-alloy steel (HC360LA). First, different stress-controlled cyclic tests are carried out to study the influence of loading conditions and pre-straining on the fatigue behavior. According to the experimental results, a uniaxial tension pre-straining allows for a significant increase of the fatigue strength. Using the experimental dataset (force, elongation and temperature), an important effort is made to estimate the fraction of strain energy that is either dissipated into heat or stored within the material during cyclic tests. The strong correlation between the number of cycles to failure and heat dissipated energy emphasizes the importance of plasticity in the process driving to fatigue failure. Second, a polycrystalline model is proposed to describe the fatigue behavior of metallic materials in the high cycle fatigue regime. To consider the anisotropy of plastic properties, the constitutive model is developed at the grain scale within a crystal plasticity framework. It uses continuum damage mechanics to describe the progressive degradation of mechanical properties within an anisotropic context. The constitutive model is then integrated within a self-consistent formulation to consider the polycrystalline nature of metallic materials. Finally, the proposed model allows for investigating the fatigue behavior of the HC360LA steel at a microscopic scale. Damage is found to be highly localized in some specific grains. As a result, while fatigue damage results in a progressive decrease of elastic stiffness at the crystal scale, the elastic properties are not significantly affected at the macroscopic scale. Also, the contribution of damage to heat dissipation is negligible. The correlation between energy dissipation and fatigue failure is therefore a consequence of the strong coupling between plasticity and damage

Cette étude est consacrée à l'analyse du comportement et de l'endommagement en fatigue, dans l'air et dans deux solutions salines avec polarisation cathodique (une solution 3,5% NaCl et de l'eau de mer), d'un acier à haute limite d'élasticité (SE702) utilisé dans le domaine offshore. Une attention particulière est portée à la détermination des mécanismes et des cinétiques d'amorçage et de propagation des fissures de fatigue. Le comportement en fatigue du SE702 est caractérisé par les durées de vie et les vitesses de propagation des fissures naturelles. Ces résultats sont comparés à ceux obtenus dans un vide secondaire, ce qui permet de découpler les effets d'environnement des effets mécaniques. Cette comparaison permet également de préciser les mécanismes d'action des différentes espèces actives. L'effet néfaste de l'air est attribué à une action conjointe de l'oxygène et de la vapeur d'eau alors que l'effet des milieux salins est dû à l'hydrogène généré par la protection cathodique
This study is devoted to the analysis of fatigue resistance and damage in several environments, the air and two saline solutions with cathodic polarisation (a 3,5% NaCl solution and natural seawater), of a high strength steel (SE702) used in offshore structures. A detailed attention was paid to the determination of mechanisms and kinetics of crack initiation and propagation. The fatigue behaviour of the SE702 was characterised by fatigue lives and crack growth rates of self-initiated cracks. These results were compared with those obtained in a secondary vacuum, so that it enables to separate the effects of environment from the mechanical effects. Moreover, the comparison of the results obtained in the different environments made it possible to specify the action mechanisms of the various active species. The harmful effect of the air is allotted to a joint action of oxygen and water vapour whereas the effect of the saline solutions is due to the hydrogen generated by cathodic protection

La Fragilisation par l'hydrogène (FPH) est un phénomène complexe de dégradation des matériaux métalliques dont les mécanismes sont dépendants de nombreux paramètres tels que la nature du matériau (composition chimique, traitement thermique), l'environnement ou l'état de contrainte. L'objectif de ce travail est d'apporter des éléments de compréhension sur les mécanismes de transport et de ségrégation de l'hydrogène dans les aciers martensitiques trempés et revenus à haute limite d'élasticité utilisés pour les applications " Oil and Gas ". Notons que cette étude se situe en amont de la problématique endommagement. Dans ce contexte, il s'agit d'identifier les sites de piégeage de l'hydrogène en regard de la métallurgie des matériaux. La mise au point d'un montage de perméation électrochimique et d'un protocole de dépouillement des résultats a permis une nouvelle approche critique dans l'exploitation des résultats issus des essais électrochimiques. De cette procédure, plusieurs aspects ont été considérés : les rôles de l'épaisseur de la membrane, de l'état de surface de la face de détection, de la microstructure et enfin, d'un état mécanique. La mise en relation de l'évolution de la microstructure avec les paramètres physiques associés aux phénomènes de diffusion et de piégeage de l'hydrogène permettront de conduire une première réflexion " vers l'endommagement ".