Dissertations / Theses: 'Gradients de microstructure'

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Lin, Ching-Te 1967. "Microstructure, texture, and hardness gradients in aluminum diffusion-bonded to aluminum oxide." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1998. http://hdl.handle.net/1721.1/50351.

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Baudoin, Pierre. "Caractérisation et identification de propriétés de matériaux métalliques à gradients de microstructure." Thesis, Lille 1, 2015. http://www.theses.fr/2015LIL10015/document.

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Abstract:

L'objectif de ces travaux de thèse est de proposer une démarche de caractérisation et de simulation de matériaux métalliques à gradients de microstructure. Ces résultats doivent permettre de modéliser l'impact du procédé de forgeage sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles d'essieux ferroviaires, produits dans le cadre du projet Innovaxle par la société Valdunes. Des essais de caractérisation réalisés sur un essieu forgé mettent en évidence un gradient de taille de grain entre le cœur et la surface de la pièce. Ce gradient est reproduit à une échelle plus fine sur des éprouvettes recristallisées en fer ARMCO, dont la caractérisation révèle un comportement élasto-plastique fortement hétérogène. Ce comportement est caractérisé à l'aide de la méthode F.E.M.U. (Finite Element Model Updating), qui appuie une hypothèse de modélisation basée sur l'application de la loi Hall-Petch à l'échelle mésoscopique. Cette modélisation sert de base à des simulations en fatigue décrivant la réponse à des sollicitations non-uniformes d'agrégats polycristallins à gradient de microstructure. L'intérêt de microstructures conçues en prévision de chargements spécifiques est mise en avant par ces simulations. Les calculs éléments finis présentés dans ces travaux sont réalisés avec le logiciel Code Aster, et le logiciel libre YADICS est utilisé pour la corrélation d'images numériques The main objective of this thesis is to design a consistent methodology for the characterization and simulation of functionally graded metals. This approach should allow the assessment of the high cycle fatigue response of forged railway axles produced by Valdunes, in the context of the Innovaxle project. The tests conducted on the forged material reveal a very heterogeneous microstructure, whose grain size varies in the width of the axle. A procedure based on recrystallisation is designed to reproduce this grain size gradient on a smaller scale, on a reference material (ARMCO iron). The characterization of the obtained graded microstructure shows heterogeneities in the local elasto-plastic response of the specimen. This behaviour is tentatively described by a heterogeneously distributed elasto-plastic law over the microstructure, the local yield strength being obtained from the local grain size through a Hall-Petch formulation. This model is used to simulate the response of graded microstructures under heterogeneous loadings in the high cycle fatigue regime. The interests of functionally graded materials are outlined by these simulations. The finite element simulations run in this work make use of the Code Aster software, and the digital image correlation program YADICS is used for image registration purposes

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Mohanty, Rashmi. "Phase-Field Simulation of Microstructural Development Induced by Interdiffusion Fluxes Under Multiple Gradients." Doctoral diss., University of Central Florida, 2009. http://digital.library.ucf.edu/cdm/ref/collection/ETD/id/4182.

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Abstract:

The diffuse-interface phase-field model is a powerful method to simulate and predict mesoscale microstructure evolution in materials using fundamental properties of thermodynamics and kinetics. The objective of this dissertation is to develop phase-field model for simulation and prediction of interdiffusion behavior and evolution of microstructure in multiphase binary and ternary systems under composition and/or temperature gradients. Simulations were carried out with emphasis on multicomponent diffusional interactions in single-phase system, and microstructure evolution in multiphase systems using thermodynamics and kinetics of real systems such as Ni-Al and Ni-Cr-Al. In addition, selected experimental studies were carried out to examine interdiffusion and microstructure evolution in Ni-Cr-Al and Fe-Ni-Al alloys at 1000°C. Based on Onsager’s formalism, a phase-field model was developed for the first time to simulate the diffusion process under an applied temperature gradient (i.e., thermotransport) in single- and two-phase binary alloys. Development of concentration profiles with uphill diffusion and the occurrence of zeroflux planes were studied in single-phase diffusion couples using a regular solution model for a hypothetical ternary system. Zero-flux plane for a component was observed to develop for diffusion couples at the composition that corresponds to the activity of that component in one of the terminal alloys. Morphological evolution of interphase boundary in solid-to-solid two-phase diffusion couples (fcc-γ vs. B2-β) was examined in Ni-Cr-Al system with actual thermodynamic data and concentration dependent chemical mobility. With the instability introduced as a small initial compositional fluctuation at the interphase boundary, the evolution of the interface morphology was found to vary largely as a function of terminal alloys and related composition dependent chemical mobility. In a binary Ni-Al system, multiphase diffusion couples of fcc-γ vs. L12-γ′, γ vs. γ+γ′ and γ+γ′ vs. γ+γ′ were simulated with alloys of varying compositions and volume fractions of second phase (i.e., γ′). Chemical mobility as a function of composition was employed in the study with constant gradient energy coefficient, and their effects on the final interdiffusion microstructure was examined. Interdiffusion microstructure was characterized by the type of boundaries formed, i.e. Type 0, Type I, and Type II boundaries, following various experimental observations in literature and thermodynamic considerations. Volume fraction profiles of alloy phases present in the diffusion couples were measured to quantitatively analyze the formation or dissolution of phases across the boundaries. Kinetics of dissolution of γ′ phase was found to be a function of interdiffusion coefficients that can vary with composition and temperature. The evolution of interdiffusion microstructures in ternary Ni-Cr-Al solid-to-solid diffusion couples containing fcc-γ and γ+β (fcc+B2) alloys was studied using a 2D phase-field model. Alloys of varying compositions and volume fractions of the second phase (β) were used to simulate the dissolution kinetics of the β phase. Semi-implicit Fourier-spectral method was used to solve the governing equations with chemical mobility as a function of compositions. The simulation results showed that the rate of dissolution of the β phase (i.e., recession of β+γ twophase region) was dependent on the composition of the single-phase γ alloy and the volume fraction of the β phase in the two-phase alloy of the couple. Higher Cr and Al content in the γ alloy and higher volume fraction of β in the γ+β alloy lower the rate of dissolution. Simulated results were found to be in good agreement with the experimental observations in ternary Ni-Cr- Al solid-to-solid diffusion couples containing γ and γ+β alloys. For the first time, a phase-field model was developed to simulate the diffusion process under an applied temperature gradient (i.e., thermotransport) in multiphase binary alloys. Starting from the phenomenological description of Onsager’s formalism, the field kinetic equations are derived and applied to single-phase and two-phase binary system. Simulation results show that a concentration gradient develops due to preferential movement of atoms towards the cold and hot end of an initially homogeneous single-phase binary alloy subjected to a temperature gradient. The temperature gradient causes the redistribution of both constituents and phases in the two-phase binary alloy. The direction of movement of elements depends on their atomic mobility and heat of transport values. Ph.D. Department of Mechanical, Materials and Aerospace Engineering; Engineering and Computer Science Materials Science & Engr PhD

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Largiller, Grégory. "Maîtrise du frittage de matériaux céramique-métal à gradients de composition et de structure." Grenoble INPG, 2010. http://www.theses.fr/2010INPG0160.

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Abstract:

Les matériaux à gradient de composition et de structure permettent d'associer des propriétés complémentaires dans une pièce donnée. Les cermets (matériaux composite céramique métal) développés par Rio Tinto Alcan seront potentiellement utilisés en tant qu'anodes inertes pour l'électrolyse de l'aluminium. Pour connecter cette pièce à matrice céramique au réseau électrique, ce matériau doit être associé avec un matériau conducteur électrique en une seule opération de frittage. En associant les connaissances issues de la métallurgie des poudres avec une analyse microstructurale, des calculs thermodynamiques et des considérations mécaniques, une gamme de matériaux appelés metcer (composite métal céramique) a été développée. Selon la proportion et composition de la phase métallique initiale de ces metcers, ils peuvent être cofrittés en une seule opération avec un cermet. Nous avons montré que la proportion de phase métallique influençait fortement la tenue mécanique de l'ensemble pendant le frittage ; que la composition des phases oxydes et métalliques permettait de maîtriser les phénomènes de diffusion entre les parties cofrittées pour construire une interface graduelle. Des lois phénoménologiques basées sur la mécanique des milieux continus ont été développées pour modéliser le frittage d'un cermet et d'un metcer. Ces lois ont été introduites dans un logiciel de calcul par éléments finis pour simuler le frittage d'assemblages bicouches et identifier les éventuels points de fragilité de différentes géométries. En comparant ces résultats de simulation numérique à des observations optiques in situ sur des pièces centimétriques, nous avons montré que l'amorçage de fissures proche de l'interface a lieu lorsque les contraintes sont élevées. A basse température, de faibles écarts de déformations entre les couches suffisent à amorcer des fissures lorsque les viscosités des matériaux sont grandes et qu'ils ont un comportement fragile. A haute température, lorsque les écarts de déformation sont grands et les viscosités faibles, les contraintes entre les couches sont relaxées. En utilisant les connaissances acquises à la fois sur la chimie et la mécanique du système, une pièce centimétrique tricouche à gradient exempt de fissure a été réalisée Graded materials are used to gather complementary physical and/or chemical properties into a single part. Cermet material (ceramic metal composite) developed by Rio Tinto Alcan may be used as inert anode for aluminium electrolysis. To connect these ceramic matrix materials to the current network, we propose to associate them with a conductive material in a single sintering step. Using our knowledge on powder metallurgy with microstructure analysis, thermodynamical and mechanical calculations, a new range of material called metcer (metal ceramic composite) has been developed. According to their metal phase proportion and composition, the metcer materials can be cosintered with cermets in a single sintering step. By modifying the metal phase proportion, we enabled the parts to keep joined during the whole sintering thermal cycle. The composition of oxides and metal phases change the diffusion phenomena and enable one to build a graded interface between the layers. Based on continuum mechanics, constitutive equations have been used to simulate the sintering of a cermet and a metcer. Constitutive equations have been implemented into a finite element software to identify the weak regions of bilayers parts of complex geometry. We compared numerical simulation results with optical observations made during sintering on large scale bilayers. Cracks near the interface occur at low temperature when the strain mismatch between the layers is low and the viscosities of the layers are high. Thus, the materials have a fragile behaviour. At high temperature, when the viscosities are low and the strain mismatch is high, the stresses in the vicinity of the interface are released. Combining our knowledge on the chemistry and interactions between these materials, we developed a trilayer material. This material showed up a graded interface without any crack

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Beaujoin, Justine. "Post mortem inference of the human brain microstructure using ultra-high field magnetic resonance imaging with strong gradients." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLS448/document.

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Abstract:

L’ambition des très hauts champs magnétiques (≥ 7T) à forts gradients (≥ 300mT/m) est de dépasser la résolution millimétrique imposée à plus bas champ pour atteindre l’échelle mésoscopique en neuroimagerie. Etudier le cerveau à cette échelle est essentiel pour comprendre le lien entre fonction et substrat anatomique. Malgré les progrès réalisés sur les aimants cliniques à 7T, il n’en est pas de même des gradients. Cette thèse vise à cartographier le cerveau humain à l’échelle mésoscopique via l’étude de pièces anatomiques post mortem. Une approche alternative a été choisie, reposant sur l'utilisation d'imageurs précliniques à très hauts champs (7T et 11.7T) et forts gradients (780mT/m). Après une première étape de préparation (extraction et fixation) opérée au CHU de Tours, une pièce anatomique complète a été scannée à 3T, avant découpe de l’hémisphère gauche en sept blocs. Un protocole d’acquisition IRM ciblant une résolution mésoscopique a ensuite été mis en place à 11.7T. Ce protocole, incluant des séquences anatomiques, relaxométriques, et de diffusion, a été validé à l’aide de deux structures clé: un hippocampe et un tronc cérébral. Les données anatomiques et de diffusion acquises à une résolution mésoscopique sur l’hippocampe ont permis de segmenter ses sous-champs, d’extraire le circuit polysynaptique et d’observer l’existence d’un gradient de connectivité et de densité neuritique positif dans la direction postéro-antérieure de l’hippocampe. L’utilisation de modèles avancés d’étude de la microstructure a également révélé l’apport de ces techniques pour la segmentation de l’hippocampe, les cartes de densité neuritique révélant les trois couches des champs ammoniens. Un tronc cérébral a ensuite été scanné, avec une résolution atteignant la centaine de micromètres. Une segmentation de 53 de ses 71 noyaux a été réalisée au sein du CHU de Tours, permettant d’établir la cartographie IRM du tronc cérébral humain la plus complète à ce jour. Les principaux faisceaux de la substance blanche ont été reconstruits, ainsi que les projections du locus coeruleus, structure connue pour être atteinte dans le maladie de Parkinson. Forts de ces résultats, la campagne d'acquisition de l'hémisphère gauche, d’une durée de 10 mois, a été initiée. Le protocole d’acquisition à 11.7T intègre des séquences anatomiques (100/150µm) ainsi que des séquences d'imagerie 3D pondérées en diffusion (b=1500/4500/8000 s/mm², 25/60/90 directions) à 200µm. Des acquisitions complémentaires réalisées à 7T comprenant des séquence d’écho de spin rapide avec inversion-récupération ont par ailleurs permis d’étudier la myéloarchitecture du cortex cérébral et d’identifier automatiquement sa structure laminaire. Un nouveau modèle de mélange de Gaussiennes a été développé, intégrant les informations myéloarchitecturales issues de la cartographie T1 et les informations cytoarchitecturales issues de l’imagerie de diffusion. Il a ainsi pu être démontré que l’utilisation conjointe de ces deux informations permettait de mettre en évidence des couches du cortex visuel, l’information myéloarchitecturale favorisant l’extraction des couches externes et la densité neuritique celle des couches plus profondes. Enfin, l’exploitation des données IRM acquises à 11.7T sur les différents blocs a nécessité la mise en place d’une chaîne de prétraitements pour corriger les artéfacts d’imagerie et reconstruire l’hémisphère entier à l’aide de stratégies de recalage difféomorphe avancées. L’objectif de ce projet est l’obtention d’un jeu de données IRM de très haute résolution spatio-angulaire de l’hémisphère gauche. Ce jeu de données anatomique et de diffusion unique permettra à terme de constituer un nouvel atlas IRM mésoscopique de la structure, de la connectivité et de la cytoarchitecture du cerveau humain The aim of ultra-high field strength (≥7T) and ultra-strong gradient systems (≥300mT/m) is to go beyond the millimeter resolution imposed at lower field and to reach the mesoscopic scale in neuroimaging. This scale is essential to understand the link between brain structure and function. However, despite recent technological improvements of clinical UHF-MRI, gradient systems remain too limited to reach this resolution. This thesis aims at answering the need for mapping the human brain at a mesoscopic scale by the study of post mortem samples. An alternative approach has been developed, based on the use of preclinical systems equipped with ultra-high fields (7T/11.7T) and strong gradients (780mT). After its extraction and fixation at Bretonneau University Hospital (Tours), an entire human brain specimen was scanned on a 3T clinical system, before separating its two hemispheres and cutting each hemisphere into seven blocks that could fit into the small bore of an 11.7T preclinical system. An MRI acquisition protocol targeting a mesoscopic resolution was then set up at 11.7T. This protocol, including anatomical, quantitative, and diffusion-weighted sequences, was validated through the study of two key structures: the hippocampus and the brainstem. From the high resolution anatomical and diffusion dataset of the human hippocampus, it was possible to segment the hippocampal subfields, to extract the polysynaptic pathway, and to observe a positive gradient of connectivity and neuritic density in the posterior-anterior direction of the hippocampal formation. The use of advanced microstructural models (NODDI) also highlighted the potential of these techniques to reveal the laminar structure of the Ammon’s horn. A high resolution anatomical and diffusion MRI dataset was obtained from the human brainstem with an enhanced resolution of a hundred micrometers. The segmentation of 53 of its 71 nuclei was performed at the Bretonneau University Hospital, making it the most complete MR-based segmentation of the human brainstem to date. Major white matter bundles were reconstructed, as well as projections of the locus coeruleus, a structure known to be impaired in Parkinson’s disease. Buoyed by these results, a dedicated acquisition campaign targeting the entire left hemisphere was launched for total scan duration of 10 months. The acquisition protocol was performed at 11.7T and included high resolution anatomical sequences (100/150μm) as well as 3D diffusion-weighted sequences (b=1500/4500/8000 s/mm², 25/60/90 directions, 200μm). In addition, T1-weighted inversion recovery turbo spin echo scans were performed at 7T to further investigate the myeloarchitecture of the cortical ribbon at 300µm, revealing its laminar structure. A new method to automatically segment the cortical layers was developed relying on a Gaussian mixture model integrating both T1-based myeloarchitectural information and diffusion-based cytoarchitectural information. The results gave evidence that the combination of these two contrasts highlighted the layers of the visual cortex, the myeloarchitectural information favoring the extraction of the outer layers and the neuritic density favoring the extraction of the deeper layers. Finally, the analysis of the MRI dataset acquired at 11.7T on the seven blocks required the development of a preprocessing pipeline to correct artifacts and to reconstruct the entire hemisphere using advanced registration methods. The aim was to obtain an ultra-high spatio-angular resolution MRI dataset of the left hemisphere, in order to establish a new mesoscopic post mortem MRI atlas of the human brain, including key information about its structure, connectivity and microstructure

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Faham, Mohamed amine. "Influence d’un gradient de microstructure sur la fatigue d’un matériau métallique." Electronic Thesis or Diss., Centrale Lille Institut, 2024. http://www.theses.fr/2024CLIL0008.

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Abstract:

L’étude de la propagation de fissure dans les composants ferroviaires, notamment les essieux, revêt une grande importance. Les aciers ferrito-perlitiques utilisés pour la fabrication de ces composants ferroviaires peuvent avoir une microstructure différente de la surface du composant à cœur, ce qui nous amène à étudier l'influence d'un gradient de microstructure sur la propagation des fissures. Particulièrement, comprendre l'influence d'un gradient de microstructure (taille des constituants, fraction de constituants) sur le régime de fissuration proche du seuil de non propagation, et dans le régime de propagation de Paris et aussi comprendre l’interaction locale d’une fissure avec la microstructure ferrito-perlitique en couplant les essais avec des mesures de champs reposant sur la corrélation d’images numériques. Globalement, il s’agit d’identifier le gradient le plus bénéfique vis-à-vis du ralentissement de la propagation de fissure en fatigue. Plusieurs protocoles expérimentaux et méthodologies expérimentales ont été développés pour atteindre les objectifs fixés, notamment le développement de microstructure grâce à des traitements thermiques, la réalisation de courbe de résistance (Cyclic R-curve) reposant sur la pré-fissuration en compression, la réalisation d'essai de fissuration à amplitude constante de facteur d'intensité de contrainte The study of crack propagation in railway components, especially axles, is of great importance. The ferrite-perlite steels used for the fabrication of these railway components may have a different microstructure from the surface to the bulk of the component, which leads us to investigate the influence of a microstructure gradient on crack propagation. Specifically, understanding the influence of a microstructure gradient (constituent size, constituent fraction) on crack propagation near the threshold of non-propagation, as well as in the Paris regime, and also understanding the local interaction of a crack with the ferrite-perlite microstructure by coupling tests with field measurements relying on digital image correlation. Overall, the aim is to identify the most beneficial gradient regarding the slowing down of fatigue crack propagation. Several experimental protocols and methodologies have been developed to achieve the set objectives, including the development of microstructure through heat treatments, the realization of cyclic R-curve based on compression pre-cracking, and the conduct of crack growth test at constant stress intensity factor amplitude

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Kuchi, Satish C. "Effect of Finite Geometry on Solidification Microstructure in Beam-Based Fabrication of Thin Wall Structures." Wright State University / OhioLINK, 2009. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=wright1253252782.

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Fradet, Clémence. "Caractérisation d’élastomères synthétiques par indentation instrumentée (I.I.T.) : protocoles et applications." Thesis, Tours, 2019. http://www.theses.fr/2019TOUR4014.

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Abstract:

L’essai d’indentation instrumentée est une technique de caractérisation locale très largement développée qui a mis en lumière son potentiel considérable pour sonder le comportement des matériaux. Elle est néanmoins circonscrite aux métaux, aux céramiques voire aux polymères. De ce fait, elle est peu présente dans la littérature relatant de la mécanique des élastomères, notamment en raison de leur hétérogénéité locale et de leur viscoélasticité, qui sont responsables de biais expérimentaux non négligeables. Cette thèse a donc pour objectif premier de mettre en place un protocole expérimental robuste de manière à apporter des éléments de réponse pertinents à des problématiques industrielles concrètes. Pléthore de phénomènes locaux dans les élastomères sont de très bons candidats à l’emploi de cette technique. Ces travaux s’intéressent spécifiquement à l’influence de la micro-morphologie et de la cinématique de chargement-déchargement sur les essais d’indentation d’un élastomère synthétique. Le protocole ainsi ajusté s’est vu appliqué à des matériaux de l’industrie aéronautique et automobile pour capturer les effets locaux d’un vieillissement thermique, d’une fatigue mécanique, de différents taux de vulcanisation et des gradients interfaciaux d’un composite polymère-élastomère Instrumented indentation testing (IIT) is a local method of caracterization which has highlighted a significant potential to probe materials’ behaviors. Nevertheless, for now, its use has been limited to metals, ceramics or more polymers. Thus IIT is rare in literature about mechanics of elastomers, mainly due to their local heterogeneity and viscoelasticity which are responsible for non-negligible experimental bias. The first aim of this thesis is to set up a robust protocol so as to bring relevant responses to practical industrial issues. Plethora of local phenomena in elastomers are serious candidates for the application of this technique. These works deal specifically with the influence of the micro-morphology and the loading-unloading kinematics when indenting a synthetic elastomer. The established protocol has then been used on industrial materials, for aeronautic and automotive uses, so as to probe the effects of a thermal ageing, a mechanical fatigue, different vulcanization rates and interfacial gradients of a polymer-elastomer composite

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Pecora, Marina. "Development of a Cyclic Indentation Method for the Characterisation of Material Gradients in Polymers and Polymer Composites Due to Thermal Aging." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2018. http://www.theses.fr/2018ESMA0011/document.

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Abstract:

Le marché des matériaux composites à matrice organique (CMO) pour la réalisation de pièces structurales "froides" (-55°C < T < Tamb) arrive à saturation et l’industrie aéronautique vise à utiliser les CMO tissés 3D dans les pièces structurales dites "chaudes" (50°C < T < 300°C) des avions (nacelles,turbomoteurs). Ces conditions environnementales peuvent entrainer des phénomènes de dégradation à long terme. L'action de l'environnement et la complexité de la microstructure peuvent conduire au développement de gradients de propriétés dans les matériaux. À haute température, la matrice polymère peut présenter un comportement complexe dépendant du temps. Il est donc nécessaire de mettre au point une technique expérimentale capable de caractériser le comportement du matériau en fonction du temps à l'échelle locale, pour saisir les gradients des propriétés. Ce travail propose la mise en place d'un essai cyclique d'indentation instrumentée pour répondre à ces questions.L'indentation instrumentée est une technique expérimentale qui a rencontrée un grand succès au cours des dernières années. Dans sa forme classique, développée pour les matériaux à comportement élasto-plastique, elle consiste à réaliser un seul cycle de charge/décharge pour en déduire la dureté du matériau et le module élastique d’indentation. Cette analyse n'est pas appropriée pour les matériaux présentant un comportement dépendant du temps, ce qui nécessite de développer une nouvelle méthode optimisée pour les matériaux polymères. Les méthodes d'indentation pour les matériaux polymères proposées dans la littérature (fluage, dynamique), sont limitées à certaines charges. L'essai cyclique d'indentation proposé dans ce travail vise à mettre en évidence la complexité du comportement du polymère. Il est dérivé des essais cycliques macroscopiques et emploi une méthode d’analyse similaire. La technique est développée sur un polymère thermoplastique, le PEHD, pour lequel la réponse cyclique macroscopique en traction et cisaillement est connue. En suivant l’évolution au cours du temps des principaux indicateurs du comportement cyclique (le module d'indentation,l’aire de la boucle d'hystérésis et l'accumulation du déplacement) pour différentes fréquences, il est possible de mettre en évidence la réponse du matériau et d'effectuer une comparaison qualitative avec le comportement macroscopique. Le protocole d'indentation cyclique est ensuite utilisé pour étudier les gradients de propriétés dans la résine époxy thermodurcissable PR520 soumise à un vieillissement thermique à 150°C sous air à pression atmosphérique (jusqu'à 1000h), sous 2 bar d’O2et de N2 (pour 400h). Il est montré que la cinétique d’évolution du module d'indentation et du déplacement n'est pas affectée par le vieillissement. Cependant, leurs valeurs absolues varient de la surface au cœur du polymère, ce qui indique la présence de gradients. L'hystérésis du premier cycle est différente à travers le gradient, mais à partir du deuxième cycle, l'hystérésis est similaire pour toutes les conditions de vieillissement et les distances de la surface exposée. Les résultats obtenus sur des échantillons vieillis sous 2 bar d’O2 et de N2 permettent de conclure que la cinétique de vieillissement n'est pas de la pure thermo-oxydation. La méthode d'indentation cyclique est ensuite appliquée pour caractériser le comportement de la matrice époxy PR520 dans un composite tissé 3D,à l'état vierge et vieilli à 150°C sous air à pression atmosphérique. L'étude du composite à l'état vierge révèle que le comportement de la matrice polymère à proximité de la surface externe est différent de celui situé dans les zones internes du composite et du polymère pur. La comparaison entre le polymère pur et la matrice à l’état vieilli montre que les gradients de propriétés induits par l'environnement sont similaires The market of organic matrix composite (OMC) materials for the realisation of “cold” (-55°C < T < RT) structural parts is going towards saturation and aircraft manufacturers foresee the employment of 3D reinforced OMC in “warm” (50°C < T < 300°C) aircraft structural parts (nacelles, turbo-engines). These environmental conditions may lead to degradation phenomena over long time. The action of environment and the complexity of the material microstructure may lead to the development of material property gradients. At high temperature, the organic polymer matrix may exhibit complex time-dependent behaviour. Therefore, there is a need to develop an experimental technique able to characterise the material behaviour at local scale and to capture material gradients and time-dependent behaviour. The present work proposes the development of a cyclic instrumented indentation test to tackle all these issues. Instrumented indentation is a popular testing technique: its basic version, appropriate for elasto-plastic materials, includes the realisation of a single loading/unloading test, the measurement of the material hardness through the analysis of the indentation print, and the analysis of the unloading curve based on the assumption of elastic unloading behaviour to obtain the indentation modulus. This analysis is inappropriate for materials exhibiting time-dependent behaviour, which leads to the need of a new method optimized for polymer materials.Several indentation methods are available for polymer materials (indentation creep, nanoDMA), but are limited to some specific loadings. The instrumented indentation cyclic test proposed in this work tries to emphasize the whole complexity of the polymer behaviour, is inspired by macroscopic cyclic tests and is analysed similarly. The technique is first set up and developed by testing a HDPE thermoplastic polymer, for which the response to macroscopic cyclic tension and shear loading isknown. By following, at different frequencies, the evolution with time (with cycles) of the principal indicators of the cyclic behaviour – that is, the indentation modulus, the hysteresis loop area and the indentation depth accumulation - it is possible to highlight the time-dependent response of the material and to perform a proper – though qualitative - comparison with the macroscopic behaviour. The cyclic indentation protocol is then employed to study the material gradients in a thermoset PR520epoxy resin subjected to thermal aging at 150°C under air at atmospheric pressure (up to 1000h), 2 barO2 (for 400h) and N2. It is shown that the evolution with cycles of the indentation modulus and the cyclic creep is not affected by thermal aging. However, their absolute values vary from the surface to the core of polymer indicating the presence of gradients. The hysteresis of the first cycle is different through the gradient: from the second cycle, however, the hysteresis is similar for all aging conditions and distances from the exposed surface. Moreover, the time-dependent behaviour stays unchanged. Results from samples aged under 2 bar O2 and 2 bar N2 allow to conclude that the aging kinetics is not related to pure thermo-oxidation phenomena. The cyclic indentation method is finally applied to characterise the behaviour of PR520 epoxy matrix within a 3D interlock textile composite, in its virgin state and thermally aged at 150°C under air at atmospheric pressure (up to 1000h). The polymer inlarge matrix pockets between the fibrous reinforcements is studied in this work, so the constrainingeffect coming from the reinforcement is negligible. The study of the composite in virgin state revealsthat the behaviour of polymer matrix close to the external surface is different from that located ininternal zones of the composite and from the neat polymer. The comparison between the thermallyaged neat polymer and matrix in internal zones of the composite shows that the environment-inducedproperty gradients are similar

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Tran, Thu Huong. "Comportement homogénéisé des matériaux composites : prise en compte de la taille des éléments microstructuraux et des gradients de la déformation." Phd thesis, Université Paris-Est, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01038058.

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Abstract:

L'objectif principal du travail réalisé au cours de la thèse consistera à proposer une démarche théorique rigoureuse visant à intégrer les éléments microstructuraux et les gradients de déformation dans une approche micromécanique. La thèse comportera deux volets : - Dans une première partie, on s'attachera à établir un cadre théorique rigoureux permettant d'intégrer les effets du gradient de la déformation et les longueurs caractéristiques de la microstructure sur le comportement effectif des matériaux composites - L'approche par développement asymptotique conduit à la résolution d'une succession problèmes d'élasticité tridimensionnelle posée sur une cellule élémentaire du milieu périodique. La résolution de ces problèmes d'élasticité, et par conséquent la détermination des propriétés effectives du composite, nécessite la mise en œuvre d'une méthode de résolution numérique. Dans cette seconde partie du travail, il s'agira de proposer une méthode de résolution basée sur la transformée de Fourier rapide (Méthode FFT)

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Ernould, Clément. "Développement et application d’une méthode à haute résolution angulaire pour la mesure des gradients d’orientation et des déformations élastiques par microscopie électronique à balayage." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2020. http://www.theses.fr/2020LORR0225.

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Abstract:

La compréhension des mécanismes de déformation dans les matériaux cristallins passe par la caractérisation fine des microstructures. Dans le cadre de la microscopie électronique à balayage, la mesure précise des gradients d’orientation et des déformations élastiques du cristal est l’objectif des méthodes dites à haute résolution angulaire. Pour cela, elles emploient des techniques de corrélation d’images numériques afin de recaler les clichés de diffraction électronique. Cette thèse propose une méthode de recalage originale. Le champ de déplacement à l’échelle du scintillateur est décrit par une homographie linéaire. Il s’agit d’une transformation géométrique largement utilisée en vision par ordinateur pour modéliser les projections. L’homographie entre deux clichés est mesurée à partir d’une grande et unique région d’intérêt en utilisant un algorithme de Gauss-Newton par composition inverse numériquement efficace. Une correction des distorsions optiques causées par les lentilles de la caméra lui est intégrée et sa convergence est assurée par un pré-recalage des clichés. Ce dernier repose sur des algorithmes de corrélation croisée globale basés sur les transformées de Fourier-Mellin et de Fourier. Il permet de rendre compte des rotations allant jusqu’à une dizaine de degrés avec une précision comprise typiquement entre 0,1 et 0,5°. La détermination de l’homographie est indépendante de la géométrie de projection. Cette dernière n’est considérée qu’à l’issue du recalage pour déduire analytiquement les rotations et les déformations élastiques. La méthode est validée numériquement sur des clichés simulés distordus optiquement, désorientés jusqu’à 14° et présentant des déformations élastiques équivalentes jusqu’à 5×10⁻². Cette étude montre que la mesure précise de déformations élastiques comprises entre 1×10⁻⁴ et 2×10⁻³ nécessite de corriger la distorsion optique radiale, même lorsque la désorientation est faible. Finalement, la méthode est appliquée à des clichés acquis par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) et en transmission en utilisant la nouvelle configuration TKD on-axis (transmission Kikuchi diffraction). Des métaux polycristallins déformés plastiquement ainsi que des semi-conducteurs sont caractérisés. La méthode retranscrit des détails fins de la microstructure d’un acier martensitique trempé et revenu et d’un acier sans interstitiels déformé de 15% en traction, malgré la détérioration du contraste de diffraction induit par la déformation plastique. Les structures de déformation sont également analysées dans de l’aluminium nanostructuré obtenu par déformation plastique sévère grâce au couplage de la méthode de recalage et de la configuration TKD on-axis. Ce couplage permet d’atteindre simultanément une haute résolution spatiale (3 à 10 nm) et une haute résolution angulaire (0,01 à 0,05°). Des cartes de déformation élastiques sont obtenues à l’échelle de quelques nanomètres dans une lame mince de SiGe et les densités de dislocations dans un monocristal de GaN sont déterminées avec une résolution voisine de 2,5×10⁻³ µm⁻¹ (soit 8×10¹² m⁻²) Understanding the deformation mechanisms in crystalline materials requires a fine characterization of microstructures. The precise measurement of lattice rotations and elastic strains in the scanning electron microscope is the aim of the so-called high-angular resolution methods. For this purpose, digital image correlation techniques are used in order to register electron diffraction patterns. In this thesis, an original registration approach is proposed. The displacement field across the whole scintillator is modelled by a linear homography. Such a shape function is often met is the field of computer vision to describe projective transformations. The homography between two patterns is measured from a single and large region of interest using a numerically efficient inverse-compositional Gauss-Newton algorithm. It integrates a correction of optical distortions caused by camera lenses and its convergence is ensured by a pre-alignment step of the patterns. The latter relies on global cross-correlation algorithms based on Fourier-Mellin and Fourier transforms. It fairly accounts for rotations up to approximately ten degrees with an accuracy typically between 0.1 and 0.5°. The homography is measured independently from the projection geometry, which is only considered afterwards to analytically deduce the rotations and elastic strains. The proposed method is validated numerically from simulated and optically distorted patterns showing disorientations up to 14° in the presence of elastic strains up to 5×10⁻². The accurate measurement of elastic strains between 1×10⁻⁴ and 2×10⁻³ requires a correction of radial distortion effects, even when the disorientation angle is small. Finally, the method is applied to patterns acquired by means of electron backscatter diffraction (EBSD) and in transmission using the new on-axis transmission Kikuchi diffraction (TKD) configuration. Plastically deformed polycrystalline metals as well as semiconductors are characterized. The method highlights fine details of the microstructure of a quenched and tempered martensitic steel and of an interstitial free steel deformed by 15% in tension, although plastic deformation deteriorates the diffraction contrast. The deformation structures in a nanostructured aluminium obtained by severe plastic deformation are also analysed by coupling the image registration method to the on-axis TKD configuration. This coupling allows a high spatial resolution (3 to 10 nm) and a high angular resolution (0.01 to 0.05°) to be reached simultaneously. Elastic strain maps are obtained at the nanoscale in a SiGe thin foil. The geometrically necessary dislocation densities in a GaN single crystal are mapped with a resolution of about 2.5×10⁻³ µm⁻¹ (i.e. 8×10¹² m⁻²)

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Hasan, Md Nazmul. "Microstructure and mechanical properties of a CrMnFeCoNi high-entropy alloy with gradient structures." Thesis, University of Sydney, 2020. https://hdl.handle.net/2123/23036.

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Abstract:

High-entropy alloys (HEAs) that demonstrate excellent mechanical properties over steel-based alloys are not exempt from the common dilemma of strength–ductility trade-off, which limits their potential applications. One way to improve the property of CrMnFeCoNi HEA is by using the rotationally accelerated shot peening technique to introduce a gradient structure. Two gradient profiles—a thin gradient layer with an undeformed core and a fully deformed structure—are introduced by adjusting the processing parameters. The effects of these gradient profiles on mechanical properties and microstructural evolution at various loading conditions and temperatures are systematically explored. In this thesis, various mechanical tests are performed to investigate the effect of the gradient structure on mechanical properties such as tensile properties at room and cryogenic temperatures, compression at different strain rates and dynamic compression at high strain rates. Material characterisations are performed using various electron microscopic techniques to build a structure–property relationship and investigate microstructural evolution.

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Rhaipu, Soranat. "The effect of microstructural gradients on the superplastic forming of Ti-6Al-4V." Thesis, University of Birmingham, 2000. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.396242.

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Lu, Peizhen. "Microstructural evolution and macroscopic shrinkage in the presence of density gradients and agglomeration /." The Ohio State University, 2000. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1488194825665703.

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Benrabah, Imed-Eddine. "Développement d’alliages métalliques à gradient de composition pour l’exploration combinatoire des microstructures." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2021. http://www.theses.fr/2021GRALI005.

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Abstract:

La transformation de l'austénite en ferrite dans les aciers présente un intérêt considérable pour le contrôle des propriétés finales des aciers, en particulier des aciers à haute résistance (AHSS) tels que l'acier dual phase (DP). Malgré les efforts considérables déployés pour comprendre les mécanismes qui contrôlent la cinétique de formation de la ferrite, le rôle des éléments substitutionnels pendant la croissance de la ferrite et leur interaction avec l'interface de migration α/γ restent peu clair. Plusieurs modèles ont été développés pour décrire la cinétique de croissance de la ferrite dans les systèmes ternaires et les systèmes d’ordre supérieur. Les modèles ‘solute drag’ ont été utilisés avec succès pour prédire la cinétique de transformation pour plusieurs solutés et à de nombreuses compositions et températures dans les systèmes ternaires. Cependant, l'extension de ce modèle aux systèmes d'ordre supérieur a mis en évidence un comportement complexe de l'interaction entre les différents éléments interstitiels et substitutionnels à l'interface. La validation des modèles développés nécessite une étude expérimentale de l'effet de la composition et de la température sur la cinétique de croissance. L'objectif de cette contribution est de présenter une méthodologie combinatoire à haut débit complète pour accélérer l'étude l’effet de la concentration des solutés sur la transformation austénite-ferrite. Il convient toutefois de noter que cette nouvelle méthodologie pourrait être utilisée pour étudier toute autre transformation de phase dans tout autre alliage métallique. L'essence de la méthodologie est de fabriquer des matériaux avec des gradients de composition macroscopiques, et d'effectuer des expériences in situ de diffraction des rayons X à haute énergie, résolues dans le temps et dans l'espace, pour enregistrer la cinétique de transformation de phases austénite-ferrite en de nombreux points de l'espace de composition. Des couples de diffusion contenant des gradients de soluté à l'échelle millimétrique et une teneur en carbone presque constante ont été générés en utilisant la présente méthodologie et utilisés pour étudier la cinétique de croissance de la ferrite à des températures intercritiques en utilisant des expériences in situ de diffraction des rayons X à haute énergie. Pendant 4 jours d'expériences, plus de 1500 cinétiques ont été mesurées pour différentes compositions et à différentes températures. Cet ensemble de données d'une taille sans précédent a été utilisé pour valider une version modifiée du modèle ‘three-jump solute drag’ pour les systèmes ternaires et quaternaires. Les calculs du modèle correspondent parfaitement à la cinétique de transformation expérimentale à toutes les températures étudiées et sur presque toutes les plages de composition étudiées de Si, Cr, Mn, Ni et Mo, contrairement aux résultats des modèles de para-équilibre (PE) et de partitionnement négligeable à l'équilibre local (LENP). En outre, il a été démontré que l'étalonnage des paramètres thermodynamiques dans les systèmes ternaires reste valable dans les systèmes quaternaires, ouvrant la voie à la modélisation de la transformation dans les systèmes d'ordre supérieur The transformation of austenite into ferrite in steels is of considerable interest in controlling the final properties of steels, in particular Advanced High-Strength Steels (AHSS) such as Dual Phase (DP) steel. Despite tremendous efforts in understanding the mechanisms controlling ferrite formation, the role of substitutional elements during ferrite growth and their interaction with the migrating α/γ interface remain unclear. Several models have been developed to describe ferrite growth kinetics in ternary and higher systems. The solute drag based models have been successfully used to predict kinetics for multiple substitutional solutes, compositions and temperatures in ternary systems. However, the extension of this model to higher order systems highlighted a complex behavior of the interaction between the different interstitial and substitutional elements at the interface. Validation of the developed models requires an experimental study of the effect of both composition and temperature on growth kinetics. The aim of this contribution is to present a complete combinatorial high-throughput methodology to accelerate the investigation of the dependency of ferrite growth kinetics on substitutional composition in alloy steels. It is noteworthy, however, that this new methodology could be used to study any other phase transformation in any other metallic alloy. The essence of the methodology is to fabricate materials with macroscopic composition gradients, and to perform time- and space-resolved in situ high-energy X-ray diffraction experiments to gather the austenite-to-ferrite phase transformation kinetics in many points of the compositional space. Diffusion couples containing millimeter-scale solute gradients and an almost constant carbon content were generated using the present methodology and used to study ferrite growth kinetics at inter-critical temperatures using in-situ high-energy X-ray diffraction experiments. During 4 days of experiments, more than 1500 kinetics were gathered for different compositions and at different temperatures. This dataset of unprecedented size was used validate a modified version of the three-jump solute drag model for both ternary and quaternary systems. The model calculations matched experimental transformation kinetics at all investigated temperatures and over almost all the investigated composition ranges of Si, Cr, Mn, Ni, and Mo, contrary to results from para-equilibrium (PE) and local equilibrium negligible partitioning (LENP) models. Additionally, it was demonstrated that the calibration of thermodynamic parameters in ternary systems held true in quaternary systems, paving the way towards modeling of the transformation in higher-order systems

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Lindsay, Marianne Rose. "Development of Lithium Disilicate Microstructure Graded Glass-Ceramic." Thesis, Virginia Tech, 2012. http://hdl.handle.net/10919/33243.

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Abstract:

The goal of this research was to create a microstructure graded glass-ceramic and investigate the resulting properties as a function of crystallization processing. The desired glass-ceramic was a lithium disilicate material that has a crystallization gradient across the sample, leading to functionally graded properties as a result of the microstructure gradient. Samples were prepared by melting and pouring glass at 1400Â°C, annealing at 400Â°C for 48 hours, and nucleating at 480Â°C for 2 hours. To ensure that crystallization would not occur homogeneously throughout the sample, a temperature gradient was imposed during crystallization. Samples were crystallized on a self-constructed resistance wire furnace that was open to air. Several crystallization processing parameters were tested, including high temperature for a short time and low temperature for a long time. Samples were ground and polished to 0.25 microns before characterization methods were performed. Scanning electron microscopy (SEM) showed the microstructure transition across the sample cross section, with crystals present on the crystalline side and only nuclei present on the glassy side. Raman spectroscopy showed a transformation of the characteristic spectra across the sample cross section, with defined, high-intensity peaks on the crystalline side and broad, low-intensity peaks on the glassy side. Microhardness showed a slight transition in hardness values across the sample cross section, however the variability was too great to draw any conclusions. The characterization methods showed that the desired material was created and the resulting properties were a function of the crystallization processing parameters. Master of Science

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Luscher, Darby J. "A hierarchical framework for the multiscale modeling of microstructure evolution in heterogeneous materials." Diss., Georgia Institute of Technology, 2010. http://hdl.handle.net/1853/33968.

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Abstract:

All materials are heterogeneous at various scales of observation. The influence of material heterogeneity on nonuniform response and microstructure evolution can have profound impact on continuum thermomechanical response at macroscopic "engineering" scales. In many cases, it is necessary to treat this behavior as a multiscale process. This research developed a hierarchical multiscale approach for modeling microstructure evolution. A theoretical framework for the hierarchical homogenization of inelastic response of heterogeneous materials was developed with a special focus on scale invariance principles needed to assure physical consistency across scales. Within this multiscale framework, the second gradient is used as a nonlocal kinematic link between the response of a material point at the coarse scale and the response of a neighborhood of material points at the fine scale. Kinematic consistency between two scales results in specific requirements for constraints on the fluctuation field. A multiscale internal state variable (ISV) constitutive theory is developed that is couched in the coarse scale intermediate configuration and from which an important new concept in scale transitions emerges, namely scale invariance of dissipation. At the fine scale, the material is treated using finite element models of statistical volume elements of microstructure. The coarse scale is treated using a mixed-field finite element approach. The coarse scale constitutive equations are implemented in a finite deformation hyperelastic inelastic integration scheme developed for second gradient constitutive models. An example problem based on an idealized porous microstructure is presented to illustrate the approach and highlight its predictive utility. This example and a few variations are explored to address the boundary-value-problem dependent nature of length scale parameters employed in nonlocal continuum theories. Finally, strategies for developing meaningful kinematic ISVs, free energy functions, and the associated evolution kinetics are presented. These strategies are centered on the goal of accurately representing the energy stored and dissipated during irreversible processes.

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Cusick, Michael Christopher. "THE USE OF SELECTIVE ANNEALING FOR SUPERPLASTIC FORMING OF MG AZ31 ALLOY." UKnowledge, 2007. http://uknowledge.uky.edu/gradschool_theses/492.

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Abstract:

A recent study on the Post-Formed properties of Superplastically Formed Magnesium AZ31B has shown that the heating time prior to testing has a major effect on the Post Forming properties of the superplastically material. To this point, there has been very little examination into the effect of pre-heating or annealing on superplastic forming (SPF) properties. In this work, the effects of annealing prior to the SPF of Mg AZ31 alloy were examined. Both high temperature SPF tensile and bulge specimens were formed after annealing. Multiple annealing temperatures were examined to produce specimens with grain sizes ranging from 8 andamp;igrave;m to 15 andamp;igrave;m for comparison with traditional SPF results. The results show that the effect of annealing can be suitable for the improvement of thinning and possibly the forming time of superplastically formed Magnesium alloys through the control of the microstructure.

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Mahajan, Suyog N. "INFLUENCE OF NATURAL CONVECTION DURING DENDRITIC ARRAY GROWTH OF METAL ALLOYS (GRADIENT FREEZE DIRECTIONAL SOLIDIFICATION)." Cleveland State University / OhioLINK, 2018. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=csu1537496405142091.

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D'Agostino, Marco Valerio. "Generalized continua and applications to finite deformations of quasi-inextensible fiber reinforcements." Thesis, Lyon, INSA, 2015. http://www.theses.fr/2015ISAL0061/document.

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Abstract:

La microstructure des matériaux constitue un outil essentiel pour optimiser les propriétés mécaniques des structures et ainsi améliorer leurs performances. Les modèles de Cauchy ne sont pas toujours adaptés à la description de la réponse dynamique de certains matériaux microstructurés montrant des comportements mécaniques exotiques. Les théories de milieux continus généralisés peuvent être de bonnes candidates pour modéliser ces matériaux d’une façon plus précise et plus réaliste, aussi bien en statique qu’en dynamique, puisqu’elles peuvent décrire, même d’une façon simplifiée, la manifestation macroscopique de la présence d’une microstructure. Ce manuscrit est organisé comme suit : - Dans le chapitre 1 nous introduisons les aspects généraux de la mécanique des renforts fibreux.- Dans le chapitre 2 nous rappelons certains concepts fondamentaux concernant la mécanique des milieux continus classiques. De plus, nous introduisons les théories de deuxième gradient à l’aide du Principe des Travaux Virtuels.- Dans le chapitre 3 nous nous proposons de présenter une première modélisation des renforts fibreux de composites en mettant en place des modèles numériques discrets. Cette modélisation discrète permet de rendre compte de certains effets de la microstructure des renforts fibreux sur leur comportement macroscopique global. En particulier, il sera montré que la flexion locale des mèches à l’échelle mesoscopique a un effet non-négligeable sur le comportement macroscopique global de ces matériaux. Dans un deuxième moment nous introduisons une modélisation continue de deuxième gradient pour la description des mêmes matériaux et nous montrons que les termes d’ordre supérieur permettent une description satisfaisante des effets de flexion locale sur-cités.- Dans le chapitre 4 on particularise le cadre général de la mécanique des milieux continus introduit dans le chapitre 2 au cas particulier des milieux continus 2D. On mettra un accent fort sur l’interprétation géométrique des mesures de déformation de deuxième gradient qui seront directement reliées aux courbures dans le plan de certaines lignes matérielles. Ces lignes matérielles seront ensuite interprétées dans les chapitres suivantes comme décrivant les mèches des renforts fibreux de composites qu’on se propose d’étudier.- Dans le chapitre 5 nous introduisons une hypothèse cinématique forte sur les déformations admissibles, en supposant que les mèches du renfort considéré sont inextensibles. Cette hypothèse nous permettra de construire un modèle simplifié de premier gradient pour le comportement des renforts de composites 2D qui est encore représentatif de leur comportement mécanique. Une méthode numérique permettant de montrer certaines solutions concernant le cas du bias extension test est codée en Mathematica et les résultats obtenus sont discutés Dered materials in the simplest and more effective way. However, there are some cases in which the considered materials are heterogeneous even at relatively large scales and, as a consequence, the effect of microstructure on the overall mechanical behavior of the medium cannot be neglected. In such situations, Cauchy continuum theory may not be useful to fully describe the mechanical behavior of considered materials. It is in fact well known that such continuum theory is not able to catch significant phenomena related to concentrations of stress and strain and to specific deformation patterns in which high gradients of deformation occur and which are, in turn, connected to particular phenomena which take place at lower scales. Generalized continuum theories may be good candidates to model such micro-structured materials in a more appropriate way since they are able to account for the description of the macroscopic manifestation of the presence of microstructure in a rather simplified way. The present manuscript is organized as follows: In ch.1 a general description of fibrous composite reinforcements is given. In ch.2 some fundamental issues concerning classical continuum mechanical models are recalled. In ch.3 we start analyzing some discrete and continuum models for the description of the mechanical behavior of 2D woven composites. At this stage of the manuscript, we want to show how some discrete numerical simulations allowed us to unveil some very special deformation modes related to the effect of the local bending of fibers on the overall macroscopic deformation of fibrous composite reinforcements. Such discrete simulations showed rather clearly that microscopic bending of the fibers cannot be neglected when considering the deformation of fibrous composite reinforcements. For this reason, we subsequently introduced a continuum model which is able to account for such microstructure-related effects by means of second gradient terms appearing in the strain energy density. In ch.4 we reduce the general continuum mechanical framework introduced in ch.2 to the particular case of 2D continua. In ch.5 we introduce a strong kinematical hypothesis on the admissible deformations, assuming that the yarns composing the woven reinforcements are inextensible

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Stephen, Juanita Peche. "3-D Printing, Characterizing and Evaluating the Mechanical Properties of 316L Stainless Steel Materials with Gradient Microstructure." Thesis, Virginia Tech, 2003. http://hdl.handle.net/10919/102780.

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Abstract:

Making gradient in the microstructure of metals is proven to be a superior method for improving their mechanical properties. In this research, we 3D print, characterize and evaluate the mechanical properties of 316L Stainless Steel with a gradient in their microstructure. During 3D printing, the gradient in the microstructure is created by tailoring the processing parameters (hatch spacing, scanning speed, and laser power and scanning speed) of the Selective Laser Melting (SLM). The Materials with Graded Microstructure (MGMs) are characterized by optical and scanning electron microscopy (SEM). Image processing framework is utilized to reveal the distribution of cells and melt pools shapes and sizes in the volume of the material when the processing parameters change. It is shown that the laser power, scanning speed and the hatch spacing have a more significant effect on the size and shape of cells and melt pools compared to the speed. Multiple Dog bones are 3D printed with a microstructure that has smaller features (cells and melt polls) at the edges of the structure compared to the center. Tensile and fatigue tests are performed and compared for samples with constant and graded microstructures. Master of Science The mechanical performance of Selective Laser Melting (SLM) fabricated materials is an important topic in research. Strengthening the performance of these materials can be achieved through implementing a gradient within the microstructure, referred to as Materials with Graded Microstructure (MGMs). A complicated microstructure can weaken the microstructure, and this can be resolved by optimizing the microstructure during SLM 3D printing, in which the processing parameters are tailored. In this study, the mechanical properties of these MGMs were characterized and evaluated. The gradient in these materials were created by modifying SLM process parameters (scanning speed, hatch spacing, and laser power and scanning speed) during the build. Optical and scanning electron microscopy (SEM) was used to characterize these the microstructure of these MGMs, and image processing was used to examine the distribution of cells and melt pools characteristics throughout the region where the processing parameters changed. This investigation shows that laser power, scanning speed, and hatch spacing have a direct effect on the size and shape of the cells and melt pools, compared to scanning speed, which shows an effect on melt pools. Dog bone structures are 3-D printed with a graded microstructure that has small cells and melt pools at the edges, compared to the center, by changing the laser power and scanning speed. Tensile and fatigue analysis are performed and compared for samples with constant and graded microstructures, which reveal that the mechanical properties of the MGMs perform similar to the parameter at the edges, but differently in fracture mechanics.

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Kuhr, Samuel J. "CHARACTERIZATION AND DEFORMATION BEHAVIOR OF MICROSTRUCTURAL GRADIENTS IN THE LOW SOLVUS HIGH REFRACTORY (LSHR) NICKEL BASE SUPERALLOY." The Ohio State University, 2016. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1462629676.

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Raharijaona, Jean-Joël. "Elaboration de matériaux w-Cu à gradient de propriétés fonctionnelles (FGM) par métallurgie des poudres : application en tant que composants face au plasma de machines de fusion thermonucléaire de type Iter." Grenoble INPG, 2009. http://www.theses.fr/2009INPG0123.

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Abstract:

L’objectif de ce travail était d’étudier et d’optimiser le frittage de matériaux W-Cu à gradient de composition, en vue d’application pour des composants de première paroi de machines de fusion thermonucléaire de type ITER. Le gradient de composition génère un gradient de propriétés fonctionnelles (FGM). Il a été démontré, par des calculs thermomécaniques simplifiés, l’intérêt d’utiliser ces matériaux pour augmenter la durée de vie des Composants Face au Plasma de fusion. Le procédé par métallurgie des poudres a été optimisé pour l’élaboration, en définissant un traitement thermique optimal, sous He/H2. L’influence de la teneur en cuivre sur le frittage de composites W-Cu a permis d’en préciser les mécanismes. L’étude du frittage de matériaux W-Cu à gradient de composition et de granulométrie a révélé deux étapes de migration de liquide, validées par un modèle de calcul de pressions capillaires The aim of this study was to study and optimize the sintering of W-Cu graded composition materials, for first wall of Iter-like thermonuclear reactor application. The graded composition in the material leads to the functionally graded material (FGM). It was shown the interest to use W-Cu FGM to improve the lifetime of plasma facing components (PCF), by performing simplified thermomechanical calculations. To process W-Cu FGM, powder metallurgy route was analyzed and optimized from W-CuO sintering helped specify mixtures. The interest to reduce the oxides on the sintering of W-Cu powder mixtures was highlightied. An optimal heating treatment under He/H2 atmosphere was defined for W-Cu sintering. The effect of the Cu-content on W-Cu sintering helped specify the sintering mechanisms. The study of W-Cu FGM sintering and differential grain size revealed two liquid migration steps. These two steps were confirmed by using a model of capillary pressure calculation

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Hilli, Naima. "Rôle de la localisation (inter ou intragranulaire) des impuretés sur le frittage de l'alumine alpha couplée ou non avec un gradient de température." Saint-Etienne, EMSE, 2009. http://www.theses.fr/2009EMSE0018.

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Abstract:

Depuis le début des années 1960, avec les travaux de Coble, le frittage de l’alumine a fait et continue à faire l’objet de très nombreux travaux de recherche et de développement avec des attentions toutes particulières sur le rôle des éléments de dopage sur les mécanismes de densification et d’évolution microstructurale de ce matériau céramique à la fois modèle et industriel. Leurs efficacités respectives ne se manifestent pas dans les mêmes stades de densification ; il est donc possible de penser que leurs actions soient complémentaires en cas d’un codopage. C’est dans ce contexte que se situe ce travail de recherche qui s’est donné pour objectif l’étude de l’influence de la présence d’impuretés dans les poudres d’alumine sur la densification et la microstructure des pièces frittées. Pour se faire, trois types d’impuretés ont été étudiés : les dopants, codopants et impuretés résiduelles provenant du processus d’élaboration de la poudre ou lors de la mise en œuvre (broyage). Il a été montré que le codopage conduit à un taux de densification toujours plus faible par rapport aux poudres d’alumines monodopées. En utilisant le modèle de la « Master Sintering Curve (MSC) », il a été montré que le chemin de diffusion choisi durant le stade intermédiaire évolue selon le type de dopant ou codopant présent dans la poudre initiale. Il a été montré également que la présence d’impuretés inter et/ou intragranulaires dans l’alumine est néfaste à la densification lors d’un frittage sous un gradient thermique. De plus, la combinaison d’un gradient thermique et les impuretés inter et intragranulaires conduit à un facettage des grains ce qui diminuera par conséquent la potentialité du frittage du système et permettra l’obtention de matériaux poreux avec des grains fins Since the beginning of the 1960’s Years, with the works of Coble, the sintering of alumina was and continues to be the subject of very many research tasks with a special attention on the role of the doping agents on the mechanisms of densification and the microstructural evolution of this model and industrial ceramic material. Their respective effectiveness does not appear in the same stages of densification; it is thus possible to think that their actions could be complementary in the case of a codoping. The objective of the present work is the study of the influence of the presence of impurities in the alumina powders on the densification and the microstructure of the sintered pieces. To be done, three types of impurities were studied: doping agents, codoping agents and residual impurities coming from the elaboration process of the powder or during the processing (crushing). It was shown that the codoping leads to a rate of densification always weaker compared to the monodoped alumina powders. By using the model of “Master Sintering Curve (MSC)”, it was shown that the way of diffusion chosen during the intermediate stage evolves according to the type of doping or codoping agent present in the initial powder. It was also shown that the presence of inter and/or intragranular impurities in alumina is harmful to the densification during a sintering under a heat gradient. Moreover, the combination of a heat gradient and the inter and intragranular impurities lead to a faceting of the grains which will decrease consequently the potentiality of the sintering of the system and will allow obtaining porous materials with fine grains

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Guevenoux, Camille. "Réparation de pièces métalliques par Directed Energy Deposition : gradient microstructural, comportement mécanique et tenue en fatigue." Thesis, Institut polytechnique de Paris, 2021. http://www.theses.fr/2021IPPAX006.

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Abstract:

Le Directed Energy Deposition (DED) est un procédé de fabrication additive utilisant une buse constituée d’un faisceau laser et d’un jet de poudre coaxiaux. Le laser crée un bain liquide dans lequel la poudre est projetée, elle fond puis se solidifie formant un cordon de matière lorsque la buse se déplace. Ce procédé présente en particulier un fort potentiel pour réparer des pièces métalliques à haute valeur ajoutée. Néanmoins, le faible diamètre et les mouvements rapides du faisceau laser entraînent des gradients thermiques et des vitesses de refroidissement élevés et cette évolution thermique spécifique est responsable de la formation de microstructures différentes de celles des composants traditionnels mis en forme par forge ou fonderie. Ainsi, les composants réparés présentent une interface qui sépare le matériau de base (souvent forgé) et la région reconstruite par DED. Ce gradient microstructural conduit à un gradient de propriété et donc à des phénomènes de localisation qui affectent la durée de vie des composants réparés. Cette thèse propose une méthode de caractérisation de la zone d'interface des composants réparés. Un outil semi-analytique de modélisation des champs de température pendant le procédé de rechargement a été mis au point pour concevoir des éprouvettes représentatives géométriquement et thermiquement de la réparation sur la pièce réelle. Le gradient de microstructure à travers l'interface est d'abord caractérisé par imagerie MEB et par analyse EBSD. Des éprouvettes de traction sont ensuite prélevées à l'interface et sollicitées lors d’essais conduits sous MEB. La déformation est suivie à l'échelle micrométrique par corrélation d'images, ce qui permet d'étudier les phénomènes de localisation. Par la suite, ces cartes expérimentales sont utilisées pour identifier le comportement local du matériau dans la région de l’interface, en minimisant l’erreur entre les champs de déformation expérimental et numérique. Le gradient de propriété ainsi déterminé permet de calculer la répartition de contraintes dans des éprouvettes soumises à des essais de fatigue. La limite d'endurance des structures réparées est ensuite calculée à partir des résultats expérimentaux d'une campagne de fatigue et comparée à celle de la pièce d'origine pour déterminer l'abattement causé par le rechargement Directed Energy Deposition (DED) process is a powder-jet additive manufacturing process involving a nozzle composed of coaxial laser beam and powder stream. The laser generates a melt pool in which the powder is projected, it melts and then solidifies creating a deposit as the nozzle moves. However, this process is particularly appealing to repair valuable metallic components. The small spot size and fast motions of the laser causes strong thermal gradient and important cooling rates and this specific thermal evolution is responsible for the formation of microstructures different from traditional processes like forge or foundry. Consequently, the repaired components exhibits an interface between the base material (generally wrought) and the region reconstructed with DED. This microstructural gradient leads to a mechanical gradient and therefore to localization phenomena which can affect the lifetime of repaired components. This thesis proposes a method to characterize the interface region of repaired components. A semi-analytic tool has been developed to model the thermal evolution during the repair process in order to design representative specimens, in terms of geometry but also in terms of thermal history. The microstructural gradient through the interface is first characterized with a SEM and EBSD analyses. Tensile specimen are then taken in the interface region and loaded during SEM in-situ tests. The strain is followed at the micrometric scale with Digital Image Correlation, what provides the information regarding localization phenomena. Those experimental data are then injected into a numerical method to identify the local parameters of the mechanical behavior by minimizing the error between the experimental and numerical fields. Using this mechanical gradient, the stress in fatigue specimens is derived. A fatigue limit is then derived from the experimental results of the fatigue tests and it is compared to the endurance of the original part to estimate the reduction of resistance caused by the repair

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Zhang, Chunyang. "Crystallographic study on microstructure and martensitic transformation of NiMnSb meta-magnetic multi-functional alloys." Thesis, Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0030/document.

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Abstract:

Les alliages NiMnSb, matériaux multifonctionnels nouveaux, ont attiré une attention en raison de leurs multiples propriétés, telles que l'effet de mémoire de forme, magnétocalorique, de biais d'échange, de magnétorésistance. Jusqu'à présent, de nombreux aspects des NiMnSb, tels que structure cristalline, microstructure, propriétés magnétiques et mécaniques ont été étudiés. Cependant, de nombreuses questions fondamentales de ces matériaux n'ont pas été entièrement révélées, ce qui limite leur développement. Une étude a été menée sur les alliages ternaires NiMnSb en termes de structures cristallines de l'austénite et de la martensite; Caractéristiques microstructurales et cristallographiques de la martensite; La relation d'orientation (OR) de transformation martensitique et sa corrélation avec l'organisation des variantes; Les caractéristiques de déformation de la transformation et l'autoaccommodation de la déformation de transformation. Le travail a confirmé que l'austénite possède une structure cristalline L21 cubique, groupe spatial Fm3m (No. 225). La martensite a une structure orthorhombique modulée (4O) à quatre couches, groupe spatial Pmma (No. 051). Les constantes de réseau de martensite de Ni50Mn37Sb13 et Ni50Mn38Sb12 sont aM = 8.5830 Å, bM = 5.6533 Å et cM = 4.3501 Å, et aM = 8.5788 Å, bM = 5.6443 Å et cM = 4.3479 Å. La microstructure de la martensite 4O NiMnSb modulée possède une caractéristique d'organisation hiérarchique. Les lamelles fines de martensite sont d'abord organisées en larges plaques. Chaque plaque possède 4 variantes apparentées aux jumeaux A, B, C et D formant des jumeaux de type I (A et C, B et D), de type II (A et B, C et D) et des macles composées (A et D; B et C). Les interfaces des variantes sont définies par les plans de maclage correspondants. Les éléments de maclage sont entièrement déterminés pour chaque relation de maclage. Les plaques sont ensuite organisées en sous-colonies et les sous-colonies en colonies de plaques. Les plaques voisines d'une sous-colonie et d'une colonie de plaques partagent une interface de plaque commune. Des colonies de plaques avec différentes interfaces de plaques ayant différentes orientations occupent finalement l'ensemble du grain d'austénite original. La OR de Pitsch, spécifiée comme {011}A // {221}M et <011>A // <122>M, est l'OR effective entre l'austénite cubique et la martensite 4O modulée. Sous cette OR, un maximum de 24 variantes distinctes peut être produit. Les 24 variantes sont organisées en 6 colonies de variantes distinctes, 12 sous-colonies distinctes et enfin 6 colonies de plaques distinctes. Le plan de maclage de type I et les interfaces intra-plaques correspondent tous à la même famille de plans {011}A de austénite. La formation des colonies de variantes martensitiques peut être à la fois intragranulaire et intergranulaire pendant la transformation de phase La colonie de variantes structurée en sandwich est l'unité micro-structurale de base de la martensite. Cette structure est composée de variantes de relation macles et possède des interfaces de variantes internes totalement compatibles et les plans d'habitat invariants. Les caractéristiques de déformation des variants en relation de macles conduisent à la fraction de volume élevée de macles de type II et affecte la morphologie des colonies en sandwich. La structure en forme de coin est composée de deux sandwichs compatibles et reliés par un plan de nervure médiane avec une petite incompatibilité atomique. Tous ces résultats indiquent que la transformation martensitique est autoaccommodée et la microstructure est déterminée par l'auto-accommodation des constituants microstructuraux. Ce travail vise à fournir des informations cristallographiques et micro-structurales fondamentales des alliages NiMnSb pour l'interprétation de leurs caractéristiques magnétiques et mécaniques associées à la transformation martensitique et des recherches complémentaires sur l'optimisation des propriétés NiMnSb based Heusler type alloys, as a novel multi-functional material has attracted considerable attention due to their multiple properties, such as magnetic shape memory effect, magnetocaloric effect, exchange bias effect, magnetoresistance effect. To date, many aspects of the NiMnSb alloys, such as crystal structure, microstructure, magnetic properties and mechanical properties etc., have been widely investigated. However, many fundamental issues of this family of materials have not been fully revealed, which largely restricts the development of this new kind of multi-functional materials. In the present work, a thorough investigation has been conducted on ternary NiMnSb alloys in terms of crystal structures of austenite and martensite; microstructural and crystallographic features of martensite; martensitic transformation orientation relationship (OR) and its correlation with variant organization; transformation deformation characteristics and self-accommodation of transformation strain. The work confirmed that the austenite of NiMnSb alloys possesses a cubic L21 crystal structure belonging to the space group Fm3m (No. 225). The martensite has a four-layered orthorhombic (4O) structure with space group Pmma (No. 051). The lattice constants of the Ni50Mn37Sb13 and Ni50Mn38Sb12 martensite are aM = 8.5830 Å, bM = 5.6533 Å and cM = 4.3501Å, and aM = 8.5788 Å, bM = 5.6443 Å and cM = 4.3479 Å, respectively. The microstructure of the 4O NiMnSb modulated martensite possesses a hierarchical organization feature. Martensite fine lamellae are first organized into broad plates. Each plate possesses 4 distinct twin related variants A, B, C and D forming type I twins (A and C; B and D), type II twins (A and B; C and D) and compound twins (A and D; B and C). The variant interfaces are defined by the corresponding twinning planes. The complete twinning elements for each twin relation are fully determined. The plates are further organized into sub-colonies and sub-colonies into plate colonies. The neighboring plates in one sub-colony and plate colony share one common plate interface orientation. Plate colonies with different oriented plate interfaces finally take the whole original austenite grain. The Pitsch OR, specified as {011}A // {221}M and <011>A // <122>M, is the effective OR between the cubic austenite and the 4O modulated martensite. Under this OR, a maximum of 24 distinct variants can be produced. The 24 variants are organized into 6 distinct variant colonies, 12 distinct sub-colonies and finally 6 distinct plate colonies. The twinning plane of type I twin and the intra-plate plate interfaces all correspond to the same family of {011}A planes of austenite. The formation of martensite variant colonies can be both form intragranular and intergranular during the phase transformation. The sandwich structured variant colony is the basic microstructural unit of the martensite. This structure is composed of twin related variants and possesses the full compatible inner variants interfaces and invariant habit planes. The deformation manner of the twin related variants result in the high occurrence frequency of the type II twins and affects the morphology of the sandwich colonies. The wedge-shaped structure is composed of two compatible sandwiches and conjoined by a midrib plane with a small atomic misfit. All these results indicate that the martensitic transformation is self-accommodated and the microstructure is determined by the self-accommodation of the microstructural constituents. The aim of this work is to provide fundamental crystallographic and microstructural information of NiMnSb alloys for interpreting their magnetic and mechanical characteristics associated with the martensitic transformation and further investigations on property optimization

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Chen, Zhe. "Relation microstructure et propriété mécanique des films de ZrO2 obtenus par MOCVD." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00637177.

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Abstract:

Les films de ZrO2 pur sont déposés par MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) en variant de nombreux paramètres du processus. L'influence des conditions de dépôt sur l'évolution de la microstructure (morphologies, structure cristalline/phase, texture et contrainte résiduelle) a été étudiée et clarifiée. Par des analyses approfondies des résultats expérimentaux, trois mécanismes typiques de croissance de dépôt de ZrO2 ont été proposées. Les contraintes de croissance de compression sont en relation directe avec la diffusion atomique et la quantité d'espèces piégées dans les films. La formation de la texture cristallographique est complexe et deux types de textures ont été analysées dans la phase tétragonale : la texture de fibre {1 1 0}t est contribuée par l'effet superplastique des nano-cristallites de ZrO2 et par la contrainte de croissance de compression ; tandis que la morphologie en facette est due à la croissance concurrentielle de différents plans cristallographiques. La stabilisation de la phase tétragonale de ZrO2 a été analysée et discutée. En plus de la taille critique des cristallites, la stabilisation de la phase tétragonale est favorisée par deux autres mécanismes : la grande quantité des défauts cristallins et la morphologie des cristallites.

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Le, Duc Trung. "Modèle d'endommagement à gradient : approche par homogénéisation." Thesis, Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066662/document.

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Abstract:

L'objectif de cette thèse est de proposer une démarche de modélisation à partir de niveau microstructure pour obtenir un modèle d'endommagement à gradient. Elle se fonde, d'une part, sur la méthode d'homogénéisation pour construire un milieu effectif à partir de la microstructure donnée, et d'autre part, sur la formulation variationnelle, à l'échelle macroscopique, d'une loi d'évolution d'endommagement à partir du milieu homogénéisé. Nous construisons dans un premier temps une approche basée sur le développement asymptotique et de la méthode variationnelle pour homogénéiser un milieu élastique périodique. Afin de modéliser le phénomène de localisation d'endommagement , cette approche a été étendue à un milieu hétérogène quasi périodique. Par un exemple du milieu micro fissuré quasi périodique, nous obtenons une énergie élastique qui dépend non seulement du gradient de l'endommagement mais aussi du gradient de déformation. Dans la deuxième partie, nous construisons un modèle d'endommagement à gradient à partir de l'énergie élastique homogénéisé en se basant sur la principe de minimisation d'énergie. En ajoutant des hypothèse pour simplifier le modèle, nous pouvons construit explicitement des états localisés d'endommagement et de déformation. Enfin, un schéma de résolution numérique, basé sur un algorithme de minimisation alternée, a été proposé pour le cas d'un barre en traction. A partir des résultats numériques, les avantages et les inconvénients du modèle sont discutés The aim of this work is to propose a general framework to obtain a gradient damage model from the micro-structural level. It is based, firstly, on the homogenization method to derive an effective medium from the microstructure, and secondly, on the variational formulation of a damage evolution law from the homogenized medium. We propose, as a first step, an approach based on asymptotic expansion and the variational method for homogenizing a periodic elastic medium. To model the localization of damage, this approach has been extended to a quasi-periodic heterogeneous medium. From an example of quasi periodically micro-cracked solid, we obtain an elastic energy that not only depends on the gradient of the damage but also the strain gradients. Based on the principle of energy minimization, we propose the construction of a gradient damage model from the elastic energy homogenized in the second part. By adding some hypothesis to simplify the model, we can construct localized damage and strain solutions in closed form. Finally, a numerical resolution scheme, which is based on an alternate minimization algorithm, is proposed for the one-dimensional traction bar test. From the numerical results, the advantages and disadvantages of the model are discussed

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Maurel, Pierre. "Déformation plastique sévère des surfaces d’alliages à faible densité par grenaillage ultrasonique : gradients de microstructures, comportements en fatigue et en tribologie." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2020. http://www.theses.fr/2020LORR0182.

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Abstract:

L’impact du grenaillage ultrasonique sur des alliages de titane et d’aluminium est étudié à température ambiante et à température cryogénique. Ce procédé peut aussi s'appeler attrition mécanique ultrasonique de surface (SMAT). La résistance en fatigue ainsi que le comportement tribologique sont étudiés afin de mieux comprendre les avantages et inconvénients liés à ce procédé. Deux alliages de titanes ont été choisis : un titane pur complètement α et un titane β-métastable sous sa forme complètement β. Ce choix permet de corréler l’influence de la microstructure initiale sur le traitement de déformation plastique sévère et sur les propriétés finales. Le titane β-métastable est sensible à la transformation martensitique induite par déformation ce qui permet d’explorer la possibilité d’introduire de la martensite à la surface grenaillée pour lutter, par exemple, contre la propagation de fissures courte lors des essais de fatigue. Le grenaillage à température cryogénique dans ce cas permet d’améliorer le déclenchement de la transformation martensitique. En plus d'aider la transformation martensitique, la température cryogénique permet d’augmenter la limite élastique des alliages lors du traitement, ce qui a pour impact de réduire le flux de matière à la surface grenaillée, améliorant ainsi l’intégrité de surface et entrainant un impact sur les propriétés tribologiques et en fatigue. Deux alliages d’aluminium à durcissement par précipitation ont également été étudiés : le 2024 et le 7075. Cette étude sur les aluminiums a pour but de comparer l’impact du grenaillage ultrasonique quand il est employé avant ou après le revenu de précipitation. Les dislocations produites lors du grenaillage ultrasonique servant de sites de nucléation préférentiels, l’objectif est d’explorer la possibilité d’améliorer (en termes de dureté par exemple) le revenu de précipitation en affinant la taille des précipités et en augmentant leur densité. L’emploi de deux séries d’aluminium devrait permettre de comparer l’effet du traitement sur les deux compositions différentes. De plus, ces deux alliages présentent des différences notables en termes de sensibilité aux défauts, ce qui permet d’étudier l’impact de l’intégrité de surface après grenaillage ultrasonique sur les propriétés mécaniques. L’étude des comportements tribologiques et en fatigue permet de tirer des conclusions quant à l’efficacité de ces traitements face à des conditions d’utilisation standards The impact of ultrasonic shot peening on titanium and aluminium alloys is studied at room temperature and at cryogenic temperature. This process may also be called surface mechanical attrition treatment (SMAT). Fatigue strength and tribological behaviour are investigated in order to better understand the pros and cons of this process. Two titanium alloys were chosen: pure titanium in its fully α form and β-metastable titanium in its fully β form. This choice makes it possible to correlate the influence of the initial microstructure on the treatment of severe plastic deformation and on the final properties. The β-metastable titanium is sensitive to strain-induced martensitic transformation, which allows exploring the possibility of introducing martensite to the shot-peened surface to delay, for example, short crack propagation in fatigue testing. Shot peening at cryogenic temperature in this case improves the initiation of the martensitic transformation. In addition to facilitating martensitic transformation, cryogenic temperature shot peening increases the yield strength of alloys during processing, which has the effect of reducing the flow of material at the shot-peened surface. Thereby, it improves surface integrity and changes tribological and fatigue properties. Two precipitation hardenable aluminum alloys were also studied: 2024 and 7075. The purpose of this aluminium study is to compare the impact of ultrasonic shot blasting when used before or after precipitation aging. As the dislocations produced during ultrasonic shot-peening serve as preferential nucleation sites, the objective is to explore the possibility of improving (e.g. in terms of hardness) the precipitation aging by refining the size of the precipitates and increasing their density. The use of two series of aluminium should make it possible to compare the effect of the treatment on the two different alloying compositions. In addition, these two alloys show significant differences in terms of defect sensitivity, permitting to study the impact of surface integrity after ultrasonic shot-peening on mechanical properties. The study of tribological and fatigue behaviour allows to conclude about the effectiveness of these treatments under common conditions of use

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Hanke, Hauke. "Rigorous derivation of two-scale and effective damage models based on microstructure evolution." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, 2014. http://dx.doi.org/10.18452/17031.

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Abstract:

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der rigorosen Herleitung effektiver Modelle zur Beschreibung von Schädigungsprozessen. Diese effektiven Modelle werden für verschiedene raten-unabhängige Schädigungsmodelle linear elastischer Materialien hergeleitet. Den Ausgangspunkt stellt dabei ein unidirektionales Mikrostrukturevolutionsmodell dar, dessen Fundament eine Familie geordneter zulässiger Mikrostrukturen bildet. Jede Mikrostruktur dieser Familie besitzt die gleiche intrinsische Längenskala. Zur Herleitung eines effektiven Modells wird das asymptotische Verhalten dieser Längenskala mittels Techniken der Zwei-Skalen-Konvergenz untersucht. Um das Grenzmodell zu identifizieren, bedarf es einer Mikrostrukturregularisierung, die als diskreter Gradient für stückweise konstante Funktionen aufgefasst werden kann. Die Mikrostruktur des effektiven Modells ist punktweise durch ein Einheitszellenproblem gegeben, welches die Mikro- von der Makroskala trennt. Ausgehend vom Homogenisierungsresultat für die unidirektionale Mikrostrukturevolution werden effektive Modelle für Zwei-Phasen-Schädungsprozesse hergeleitet. Die aus zwei Phasen bestehende Mikrostruktur der mikroskopischen Modelle ermöglicht z.B. die Modellierung von Schädigung durch das Wachstum von Inklusionen aus geschädigtem Material verschiedener Form und Größe. Außerdem kann Schädigung durch das Wachstum mikroskopischer Hohlräume und Mikrorissen betrachtet werden. Die Größe der Defekte skaliert mit der intrinsischen Längenskala und die unidirektionale Mikrostrukturevolution verhindert, dass bei fixierter Längenskala die Defekte für fortlaufende Zeit schrumpfen. Das Material des Grenzmodells ist dann in jedem Punkt als Mischung von ungeschädigtem und geschädigtem Material durch das Einheitszellenproblem gegeben. Dabei liefert das Einheitszellenproblem nicht nur das Mischungsverhältnis sondern auch die genaue geometrische Mischungsverteilung, die dem effektiven Material des jeweiligen Materialpunktes zugrunde liegt. This dissertation at hand deals with the rigorous derivation of such effective models used to describe damage processes. For different rate-independent damage processes in linear elastic material these effective models are derived as the asymptotic limit of microscopic models. The starting point is represented by a unidirectional microstructure evolution model which is based on a family of ordered admissible microstructures. Each microstructure of that family possesses the same intrinsic length scale. To derive an effective model, the asymptotic behavior of this intrinsic length scale is investigated with the help of techniques of the two-scale convergence. For this purpose, a microstructure-regularizing term, which can be understood as a discrete gradient for piecewise constant functions, is needed to identify the limit model. The microstructure of the effective model is given pointwisely by a so-called unit cell problem which separates the microscopic scale from the macroscopic scale. Based on these homogenization results for unidirectional microstructure evolution models, effective models for brutal damage processes are provided. There, the microstructure consists of only two phases, namely undamaged material which comprises defects of damaged material with various sizes and shapes. In this way damage progression can be modeled by the growth of inclusions of weak material, the growth of voids, or the growth of microscopic cracks. The size of the defects is scaled by the intrinsic length scale and the unidirectional microstructure evolution prevents that, for a fixed length scale, the defects shrink for progressing time. According to the unit cell problem, the material of the limit model is then given as a mixture of damaged and undamaged material. In a specific material point of the limit model, that unit cell problem does not only define the mixture ratio but also the exact geometrical mixture distribution.

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Wang, Huan. "Viscous and second gradient regularization techniques for the description of the behavior of geomaterials." Thesis, Ecole centrale de Nantes, 2019. http://www.theses.fr/2019ECDN0063.

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Abstract:

Les géomatériaux présentent des comportements plus ou moins dépendants du temps, car leur microstructure évolue. Ce processus peut varier entre quelques minutes (sable) et plusieurs jours voire plusieurs années (sols mous). Pour décrire un comportement dépendant du temps, des modèles viscoplastiques, dépendant de la vitesse, sont couramment utilisés. Autre qu'une description intrinsèque du comportement visqueux, la dépendance à la vitesse de la loi constitutive est également présentée quelques fois dans la littérature comme une technique de régularisation. On étudie dans cette thèse la possibilité d'utiliser une loi de comportement viscoplastique pour décrire le comportement transitoire des sols mous dépendant du temps et la localisation des déformations. Des études analytiques et numériques sont présentées et plusieurs conclusions sont trouvées sur la base du critère de Hill, du critère de Rice, d'un algorithme de perturbation numérique et de la théorie classique de perturbation linéaire. Il s'avère que l'utilisation d'un modèle viscoplastique pour des chargements transitoires ne permet pas de régulariser le problème. Afin de proposer une stratégie de modélisation performante, les modèles viscoplastiques sont ensuite intégrées dans un milieu à microstructure et plus spécifiquement dans un modèle second gradient. Des problèmes concernant l'unicité, la bifurcation et la dépendance au maillage sont examinés et une analyse classique de perturbation linéaire est présentée. La combinaison d'un modèle second gradient avec des lois viscoplastiques permet de régulariser le problème et de prendre en compte l'influence de la vitesse de la sollicitation. Afin de démontrer la performance de l'approche dans un cas réel, une fondation superficielle est analysée en mettant l’accent sur sa capacité portante et sa défaillance progressive Geomaterials may exhibit timedependent behaviors as their microstructures evolve. This process may vary from a few minutes (sand) to several days or even years (soft soils). To describe this time-dependent behavior, viscoplastic models are commonly used. Other than providing an intrinsic description of the viscous behavior, rate-dependent constitutive laws are sometimes presented in the literature as a regularization technique. In this thesis, we study the possibility to use viscoplastic constitutive laws in transient problems to describe the time-dependent response of soft soils and strain localization. Analytical and numerical studies are presented and several conclusions are found based on the Hill’s criterion, the Rice’s criterion, a numerical perturbation algorithm and classical linear perturbation theory. It turns out that the use of viscoplastic models in transient problems is not able to regularize the problem. Viscoplastic models are then integrated in a higher order continuum, the second gradient model. Problems concerning the uniqueness, bifurcation and mesh dependency are examined and a classical linear perturbation analysis is presented. The combination of a second gradient model with viscoplastic laws makes possible both to regularize the problem and to take into account rate effects. Finally, the bearing capacity and progressive failure of a shallow foundation are analyzed in order to demonstrate the performance of the approach on a real case study

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Gozdecki, Nicolas. "Nouveaux alliages de titane à gradient de propriétés pour l'implantologie dentaire : approches expérimentale et numérique." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066710.

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Abstract:

Dans le domaine des biomatériaux, les alliages de titane sont parmi les matériaux les plus attractifs pour les implants ostéointégrés grâce à leur forte résistance à la biocorrosion, une meilleure biocompatibilité et de bonnes propriétés mécaniques spécifiques. Parmi ces propriétés, le faible module élastique des alliages de titane a fortement attiré l'attention par rapport à la transmission des contraintes fonctionnelles de l'implant à l'os environnant. L'objectif de ce travail de thèse consiste à obtenir des alliages de titane aux propriétés mécaniques modulables, possibles grâce au contrôle des traitements thermomécaniques. Ceci permet d'obtenir dans un premier temps un gradient d'élasticité au sein des alliages, ainsi qu'un gradient de tailles de grains dans un second temps. L'obtention de ces gradients est rendue possible grâce à la transformation martensitique réversible β ↔ α’’ ainsi qu'à la dissolution de phase ? par traitements thermiques flash. Il est également possible de contrôler les échelles microstructurales pour obtenir des matériaux nanostructurés, homogènes et stables thermiquement, permettant de mettre en évidence un comportement superplastique à basse température. Ces derniers résultats sont susceptibles de présenter une très bonne alternative aux procédés de SPD utilisés couramment. Une caractérisation complète de ces nouveaux matériaux est réalisée en combinant analyses MEB, MET et DRX. Les valeurs de modules élastiques sont obtenues par essais de traction et localement, par mesures de microindentation instrumentée In the field of biomaterials, titanium alloys are among the most attractive materials for osseointegrated implants due to their high biocorrosion resistance, increased general biocompatibility and specific mechanical properties. Among these properties, low elastic modulus of titanium alloys has attracted much attention regarding the transmission of functional loads from the implant to the surrounding bone. The aim of this work consists in developing functionally graded materials, with careful attention to the thermomechanical treatments. In one hand, this allows us to obtain a gradient of elasticity in bulk materials and in the other hand, a gradient of grain sizes. This is possible thanks to the reversible martensitic transformation β ↔ α’’ and also to the α phase dissolution during flash treatments. The microstructural scale is also controlled in order to develop homogeneous materials at the nanoscale, thermally stables, and exhibiting superplasticity at low temperatures. These results are thought to be good strategy to avoid the use of SPD processes. A complete characterization of these new materials is performed with the combination of SEM, TEM and XRD analyses to appreciate the modifications of the microstructures and grain sizes. Values of elastic modulus are obtained by tensile tests, and locally determined with the use of instrumented microindentation measurements

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Avila, de oliveira silva Lais. "Investigation de l’effet du gradient microstructural généré pendant le patentage sur les propriétés mécaniques finales des fils d’acier perlitiques." Electronic Thesis or Diss., Centrale Lille Institut, 2022. http://www.theses.fr/2022CLIL0007.

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Abstract:

Les aciers perlitiques pourraient apparaître comme une microstructure simple, de composition eutectoïde contenant deux phases (cémentite et ferrite) arrangées en lamelles. Cependant, ils présentent une microstructure hiérarchisée, composée de nodules de même cristallographie semblables à des grains. Ces nodules comprennent des colonies formées de lamelles parallèles de ferrite et de cémentite à l'échelle nanométrique. Dès lors, les aciers perlitiques offrent une résistance et une ductilité élevées à un coût raisonnable, en accord avec les applications telles que câbles de pont, ressorts… Bien que les aciers perlitiques soient connus et largement étudiés depuis plus de 150 ans, il pourrait paraître provoquant de proposer de nos jours des voies d’amélioration de leurs propriétés mécaniques.Cependant, certaines options n'ont pas encore été envisagées comme le gradient microstructural ou le contrôle des morphologies de la perlite. Le concept de gradient microstructural a été largement exploré pour des microstructures simples d’aciers (ferritique ou austénitique),mais sa transposition vers les aciers perlitiques est plus compliquée. Ce travail de thèse vise à étudier la faisabilité de produire un gradient microstructural dans des aciers perlitiques et de contrôler la morphologie de la perlite. Il repose sur la compréhension des mécanismes métallurgiques impliqués et l'impact sur les propriétés mécaniques, en particulier la fatigue, compte tenu de l'application finale de ce matériau. Le contrôle de la microstructure et du gradient est basé sur la transformation de l'austénite en perlite et, par conséquent, tous les paramètres pouvant influencer cette transformation doivent être étudiés. Cela comprend des paramètres de traitement thermique (vitesse de chauffage, vitesse de refroidissement, mode de refroidissement, température de transformation) et des matériaux (espacement interlamellaire entre ferrite et cémentite initial, état de déformation de la perlite). L'espacement interlamellaire, connu pour contrôler les propriétés mécaniques des aciers perlitiques, varie avec la température de transformation, donnant lieu à une perlite grossière et fine lors qu'elle est transformée à températures élevée ou basse, respectivement. Nous montrons qu’il est possible de créer un gradient microstructural d'espacement interlamellaire mais ce gradient est limité par le diamètre du fil. A partir d’essais utilisant un dilatomètre, ces gradients ont été obtenus avec succès dans des fils de diamètre 6 et 12 mm. Ces fils à gradient microstructural ont ensuite été tréfilés et les propriétés mécaniques avant et après tréfilage ont été comparées afin de s'assurer que les gradients formés lors du traitement thermique sur des fils de diamètre 6 mm sont toujours présents sur les fils de diamètre final 2,25 mm. La morphologie de la perlite a également été modifiée par la maîtrise des traitements thermiques utilisant un refroidissement continu et isotherme. Des perlites divorcées, connectées et bien alignées de même distance interlamellaire ont été produites. Il s'avère que la morphologie de la perlite dans des échantillons monolithiques a un impact plus important sur la plasticité cyclique que la présence d'un gradient. Les résultats obtenus dans ce doctorat ont donné lieu à discuter de la transformation perlitique lors d’un refroidissement continu et isotherme, des mécanismes contrôlant la morphologie de la perlite (surtout divorcée ou lamellaire), des phénomènes métallurgiques se produisant lors du chauffage (recristallisation,restauration et sphéroïdisation), ainsi que des mécanismes de plasticité de la perlite. Enfin, la possibilité de réaliser des gradients microstructuraux avec les moyens de refroidissement utilisés sur des lignes de tréfilage et de traitements thermiques a aussi été étudiée.L’obtention de gradients par des technologies de refroidissement alternatives autre que le plomb est un réel succès compte tenu des contraintes environnementales : Pearlitic steels could appear to be a simple and classic microstructure, with a rather simple eutectoid composition containing twophases (cementite and ferrite) in a lamellar distribution. However, they feature a hierarchical microstructure, which is composed of nodulesthat present the same crystallography and are grain-equivalent, then the nodules comprise the colonies that contain the parallel ferrite andcementite lamellas at a nanometric scale. As a result, pearlitic steels offer high strength and ductility at a reasonable cost, which fits verywell for various structural and reinforcement applications, e.g., steel core, bridge cables, wire ropes, springs…Although pearlitic steels areknown and vastly studied for over 150 years, it could appear outrageous to still propose manners of improving their mechanical properties.However, some options have not yet been considered such as the microstructural gradient or the control of the pearlite morphologies. Themicrostructural gradient concept has been widely explored in simple microstructure in steels, such as ferrite or austenite, but it is morecomplicated to export it in the pearlitic steel. The present Ph.D. aims to investigate the feasibility of producing a microstructural gradient infully pearlitic steels and of controlling the pearlite morphology. It is sought the understanding of the involved metallurgical mechanisms andthe impact on the mechanical properties, especially fatigue, considering the final application of this material. The control of themicrostructure and the gradient is based on the transformation of austenite into pearlite and, therefore, all the parameters that couldinfluence this transformation must be studied. It includes heat treatment parameters (heating rates, cooling rates, cooling modes,temperature of transformation…) and materials ones (initial interlamellar spacing, deformation state of pearlite…). The spacing between theferrite and cementite lamella, known to govern the mechanical properties of pearlitic steels, varies with the transformation temperature,which results in coarse and fine pearlite when transformed at high or low temperatures, respectively. It is found that a microstructuralgradient of interlamellar spacing is possible to be formed but is limited by the rod diameter. Using the dilatometer, it was successfullyprocessed in a 6 and 12 mm diameter rod. The gradient-containing wires were then drawn and the mechanical properties before and afterdrawing are compared to assure that the gradients formed during the heat treatment of the 6 mm diameter wires are still present on the2.25 mm final diameter wires. The morphology of pearlite has also been modified by control of heat treatments using continuous andisotherm cooling. Divorced, connected and well-aligned perfect pearlites with the same interlamellar distance have been processed. It turnsout that the morphology of the monolithic pearlite specimen has a higher impact on cyclic plasticity than the presence of a gradient. Theresults obtained in this Ph.D. gave rise to discussions on the pearlitic transformation under continuous and isotherm cooling, on themechanisms controlling the morphology of pearlite (mostly divorced or lamellar), on the phenomena happening during heating,(recrystallization, recovery, and spheroidization), and also on the mechanisms of plasticity of pearlite. Finally, the feasibility of the productionof the gradients by real cooling technologies is assessed by transforming the wires in a pilot line. It is of most interest that the gradients areproduced by alternative cooling technologies since the lead patenting technique is not the most environmentally friendly, although the mostwidely used

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Biotteau, Katia. "Elaboration et caractérisation de composites Alumine/Zircone à vocation orthopédique." Phd thesis, INSA de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00995100.

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Abstract:

Ce travail de thèse a pour objectif l'élaboration et la caractérisation de composites Alumine/Zircone obtenus par voies conventionnelles, et dédiés à un usage orthopédique. Ces composites présentent une biocompatibilité prouvée, d'excellentes propriétés mécaniques ainsi qu'une grande stabilité. Ils sont plus résistants, plus fiables que l'alumine ou la zircone seules et permettent d'envisager des composants de tailles et formes plus exigeantes mécaniquement. Actuellement ces composites semblent les plus adaptés pour la réalisation de prothèses orthopédiques mais peuvent encore être optimisés via la modification des microstructures. La première partie de ce travail a concerné l'étude de la réalisation industrielle de composants de grande taille à partir d'une poudre. Les différentes étapes de l'élaboration sont traitées : pressage des composants, frittage et usinage. Cette première partie est majoritairement consacrée à l'étude des gradients thermique dans une sphère lors du frittage. Nous montrons qu'il est possible de modéliser et de mesurer les gradients thermiques dans le matériau de manière très réaliste, ainsi que d'obtenir des ordres de grandeur des contraintes mécaniques. On pourra ainsi envisager de tester numériquement les cycles de frittage en fonction de la géométrie des pièces frittées. Nous étudions par ailleurs la possibilité de réaliser un usinage des composants après un traitement de préfrittage, qui permettrait de diminuer les coûts et simplifier l'élaboration de composants de grande taille. La seconde partie de ce mémoire a permis de montrer que différents types de microstructures, présentant des propriétés mécaniques différentes, peuvent être obtenues par simple mélange de poudre. Ceci est possible par l'utilisation d'un traitement thermique adapté, la variation du taux de zircone et grâce à l'ajout de dopants (Si, Ca et Mg) jouant sur la mobilité des joints de grains d'alumine. Lors de l'utilisation de Ca ou Mg, le taux de zircone et la température ont un effet prépondérant sur l'aspect des microstructures, permettant d'obtenir des micro/micro-composites (< 16vol% de zircone et >1500°C) et nano/nano-composites (25vol% de zircone et T < 1500°C). Seul l'ajout conjoint de Si et de Ca pour des échantillons contenant 2,5vol% de zircone permet de conduire à des micro/nano-composites avec une grande proportion de zircone intragranulaire. Les observations sur des composites avec un taux de zircone proche du taux de percolation (16vol%) permettent de mettre en évidence l'ensemble des types de renforcement observés dans la littérature, en fonction de la température et des dopants utilisés. La variété des microstructures obtenues permet de progresser dans le contrôle des microstructures des composites alumine-zircone, mais aussi d'envisager d'autres applications de ces composites en fonction des mécanismes de renforcement observés et de leurs propriétés mécaniques et structurales.

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Ayad, Mohammad. "Homogenization-based, higher-gradient dynamical response of micro-structured media." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2020. http://www.theses.fr/2020LORR0062.

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Abstract:

Une approche dynamique discrète (DDM) est proposée dans le contexte de la mécanique des poutres pour calculer les caractéristiques de dispersion des structures périodiques. Cette démarche permet de calculer les caractéristiques de dispersion de milieux périodiques unidimensionnels et bidimensionnels. Il est montré qu’un développement d'ordre supérieur suffisamment élevé des forces et des moments d’éléments structuraux est nécessaire pour décrire avec précision les modes de propagation d’ordre supérieur. Ces résultats montrent dans l’ensemble que les calculs des caractéristiques de dispersion de systèmes structurels périodiques peuvent être abordés avec une bonne précision par la dynamique des éléments discrets. Les comportements non classiques peuvent être capturés non seulement par une expansion d'ordre supérieur mais aussi par des formulations à gradient supérieur. Nous calculons ainsi les paramètres constitutifs macroscopiques jusqu'au deuxième gradient du déplacement en utilisant deux formulations différentes, soit selon une méthode d'homogénéisation dynamique à gradient supérieur (DHGE) prenant en compte les effets de micro-inertie, ou alternativement selon le principe de Hamilton. Nous analysons ensuite la sensibilité des termes constitutifs du second gradient aux paramètres microstructuraux pour des matériaux composites à microstructure périodique de type laminés. En plus, on montre que les modèles du deuxième gradient formulés à partir de l'énergie interne totale en tenant compte des termes de gradient d'ordre supérieur donnent la meilleure description du propagation d’onde à travers ces milieux. On analyse les contributions d'ordre supérieur et de micro-inertie sur le comportement mécanique de structures composites en utilisant une méthode d'homogénéisation dynamique d'ordre supérieur qui intègre les effets de micro-inertie. Nous calculons la réponse effective statique longitudinale à gradient d’ordre supérieur, en quantifiant la différence relative par rapport à la formulation classique de type Cauchy qui repose sur le premier gradient du déplacement. Nous analysons ensuite les propriétés de propagation d’ondes longitudinales en termes de fréquence propre de composites, en tenant compte de la contribution de la micro-inertie. La longueur interne joue un rôle crucial dans les contributions de micro-inertie avec un effet substantiel pour les faibles valeurs de longueur interne, et qui correspond à une large gamme de matériaux utilisés en ingénierie des structures. La méthode d’homogénéisation développée montre un effet de taille important pour les modules élastiques homogénéisés d’ordre supérieur. Par conséquent, nous développons une formulation indépendante de la taille qui est basée sur des termes de correction liée aux moment quadratique. Dans ce contexte, on analyse l’influence des termes de correction sur le comportement statique et dynamique de composites à inclusion A discrete dynamic approach (DDM) is developed in the context of beam mechanics to calculate the dispersion characteristics of periodic structures. Subsequently, based on this dynamical beam formulation, we calculate the dispersion characteristics of one-dimensional and two-dimensional periodic media. A sufficiently high order development of the forces and moments of the structural elements is necessary to accurately describe the propagation modes of higher order. These results show that the calculations of the dispersion characteristics of structural systems can be approached with good accuracy by the dynamics of the discrete elements. Besides, non-classical behaviors can be captured not only by higher order expansion but also by higher gradient formulations. To that scope, we develop a higher gradient dynamic homogenization method with micro-inertia effects. Using this formulation, we compute the macroscopic constitutive parameters up to the second gradient, using two distinct approaches, namely Hamilton’s principle and a total internal energy formulation. We analyze the sensitivity of the second gradient constitutive terms on the inner material and geometric parameters for the case of composite materials made of a periodic, layered microstructure. Moreover, we show that the formulations based on the total internal energy taking into account higher order gradient terms give the best description of wave propagation through the composite. We analyze the higher order and micro-inertia contributions on the mechanical behavior of composite structures by calculating the effective static and dynamic properties of composite beams using a higher order dynamic homogenization method. We compute the effective longitudinal static response with higher order gradient, by quantifying the relative difference compared to the classical formulation of Cauchy type, which is based on the first gradient of displacement. We then analyze the propagation properties of longitudinal waves in terms of the natural frequency of composite structural elements, taking into account the contribution of micro-inertia. The internal length plays a crucial role in the contributions of micro-inertia, which is particularly significant for low internal length values, therefore for a wide range of materials used in structural engineering. The developed method shows an important size effect for the higher gradients, and to remove these effects correction terms have been incorporated which are related to the quadratic moment of inertia. We analyze in this context the influence of the correction terms on the static and dynamic behavior of composites with a central inclusion

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Appiah, Kwadwo Ampofo. "Microstructural and microanalytical characterization of laminated (C-SiC) matrix composites fabricated by forced-flow thermal-gradient chemical vapor infiltration (FCVI)." Diss., Georgia Institute of Technology, 2000. http://hdl.handle.net/1853/14910.

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Delcuse-Robert, Laura. "Processing effects on the structure and behavior of Nickel based alloys produced by additive manufacturing." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2021. https://docnum.univ-lorraine.fr/public/DDOC_T_2021_0355_DELCUSE.pdf.

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Abstract:

En raison de sa résistance élevée à haute température, l'Inconel 718 est souvent utilisé dans le domaine aérospatial. Grâce à la fabrication additive, de nouvelles structures telles que les structures auxétiques peuvent être produites en Inconel 718 et ainsi offrir de nouvelles opportunités dans de nombreuses applications industrielles. Sous une charge d'impact, la grande capacité d'absorption d'énergie des structures auxétiques offre de nouvelles possibilités, principalement en matière de sécurité dans le domaine routier. Le travail présenté ici est développé autour de cette problématique. Tout d'abord, les paramètres géométriques d'une structure en nid d'abeille inversée ont été optimisés par simulation numérique, en utilisant un plan d’expérience Taguchi et une étude paramétrique. L'influence des paramètres de fusion laser sur lit de poudre - ou Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) - a également été abordée sur des structures auxétiques à paroi mince en Inconel 718. La direction d’impression et la densité d'énergie du laser ont été varié afin de déterminer leur effet sur la porosité et la précision d'impression sur des structures minces. Ensuite, le comportement mécanique des structures en nid d’abeille inversée a été étudié en traction et en compression, afin d'identifier la cinétique de déformation de la structure. Pour reproduire ce comportement mécanique, le comportement en compression de l'Inconel 718 imprimé dans les directions d’impressions horizontales (XY) et verticales (ZX) a été étudié en utilisant des conditions quasi-statiques et dynamiques. Les vitesses de déformation appliquées sont comprises entre 10-3 s-1 et 2500 s-1 . Une loi de comportement de Johnson-Cook a été déterminé en tenant compte de l'effet de la direction d’impression sur les propriétés mécaniques. L'anisotropie de l'Inconel 718 imprimé dépend de la direction d’impression, ce qui a été révélée par une étude microstructurale. En utilisant des cartes d'orientat ion EBSD et des micrographies BSE, il a été constaté que la direction de construction horizontale (XY) contient principalement des grains équiaxes par rapport à la présence de grains colonnaires et allongés pour la direction verticale (ZX). De plus, un gradient de microstructure a été observé dans les deux directions d’impression, du bord vers le cœur du matériau, divisé en trois zones : (i) bord, (ii) zone de transition et (iii) zone centrale. Selon l'analyse microstructurale, une nouvelle approche de modélisation de la limite d'élasticité a été développée sur la base de la taille des grains de l'Inconel 718, en fonction de la direction d’impression. Un modèle numérique d’une structure auxétique a été développé sur le logiciel Abaqus, sous un chargement en compression dynamique. La loi de comportement est alors validée par ce modèle , reproduisant le comportement mécanique de la structure auxétique à l’échelle macroscopique Regarding its high strength at high temperature, Inconel 718 is widely used in aerospace field. With additive manufacturing, novel structure such as auxetic structure should be produced in Inconel 718 and offered new opportunities in a wide range of industrial application. Under impact loading, the high energy absorption capacity of auxetic material allows new possibilities mainly on safety issues for transport vehicles. The current work is developed through this problematic. First, the geometrical parameters of a re-entrant honeycomb structure were optimised by applying a Taguchi method and a parametrical study on computational modelling. The influence of the laser powder bed fusion parameters (L-PBF) were also tackled on thin-walled cellular structures in Inconel 718. The building direction and the laser energy density were varying to determine their effect on the porosity and print accuracy on thin strut. Then, the mechanical behaviour of the optimised re-entrant honeycomb structures was studied under tension and compression loading to identify the kinetic of deformation of the structure. To reproduce this mechanical behaviour, the compression behaviour of the Inconel 718 printed into horizontal (XY) and vertical (ZX) building direction was investigated using quasi-static and dynamic strain rates, between 10-3 s-1 and 2500 s-1. A Johnson-Cook model was determined considering the effect of the building direction on the mechanical properties. The anisotropy of the printed Inconel 718 depends on the building direction and was revealed by a microstructural study. By using EBSD orientation map and BSE micrographs, it was found that the horizontal building direction (XY) mainly provided equiaxed grain as compared to columnar grain for vertical building direction (ZX). In addition, a microstructure gradient was observed for both building directions from the border to the volume, divided into three zones (i) border, (ii) transition and (iii) centre. According to the microstructural analysis, a novel modelling approach on the yield stress was developed based on the grain size of the Inconel 718. A numerical model of the auxetic structure was developed using Abaqus software, under dynamic compression loading. The behaviour law of the printed Inconel 718 is then validated by this model, reproducing the mechanical behaviour of the auxetic structure at the macroscopic scale

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Bossy, Etienne. "Influence des caractéristiques de microstructures nitrurées sur l’initiation d’écaillage en surface par fatigue de contact." Thesis, Lyon, 2019. http://www.theses.fr/2019LYSEI095.

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Abstract:

L’amélioration des performances du monde du transport contraint les constructeurs à alléger leurs systèmes. Les pièces en contact sont donc de plus en plus sollicitées. Pour garantir et améliorer les performances des pièces en fatigue, le traitement de nitruration gazeuse est employé. Ce traitement améliore les propriétés de l’acier en surface en augmentant sa dureté et en introduisant des contraintes résiduelles. Bien que ce traitement soit largement étudié, il reste des zones d’ombres quant aux phénomènes d’initiation de fissures. Le modèle et les essais présentés apportent des réponses à ces incertitudes. Le comportement en fatigue est modélisé en utilisant une simulation éléments finis couplée au critère de Dang Van. La modélisation de l’acier nitruré est complexe. Compte tenu du gradient de propriétés entre la surface et le cœur du matériau, les limites de fatigue sont différentes. Il est nécessaire de prendre en compte le gradient pour avoir une modélisation de la réponse en fatigue qui corresponde aux observations expérimentales. Le gradient de propriétés pour les limites de fatigue, difficilement mesurable, est pris similaire à celui de la micro-limite d’élasticité, plus facilement accessible. Cette modélisation met en évidence la raison de la présence à la fois de défaillances de surface et de fatigue en sous-couche dans le cas étudié. Les essais réalisés permettent de mettre en avant le rôle des liserés sur l’initiation de fissures. Ces liserés, dont le comportement élastique est similaire à celui de la matrice, semblent catalyser l’initiation. Cela s’explique par l’incompatibilité de déformations dans le domaine micro-plastique autour de ces liserés. Finalement, le modèle proposé permet de prédire le comportement en fatigue d’un acier nitruré. Les hypothèses formulées sur le rôle des liserés de carbure dans la littérature se vérifient expérimentalement et permettent de proposer des scénarii se basant sur des observations et des considérations physiques réalistes Energy performance enhancement in the transport industry leads manufacturers to lighten their systems. As a result, the contacting parts are more and more stressed. Where cracks were previously initiated on inclusions in sub-surface, more and more surface defects appear. In order to guarantee and improve the performance of the parts under rolling contact fatigue, gas nitriding treatment is widely used. This thermochemical treatment enhances the steel surface properties by introducing residual stresses and increasing its hardness. Although this treatment is widely studied, crack initiation phenomenon are still grey areas. Nitrided steels present a network of intergranular precipitations of cementite that are significantly harder than steel. Their role has been highlighted in the case of crack propagation but their role in initiation remains hypothetical. In addition, in some cases, surface defects coexist with subsurface fatigue. The model and experiments presented in this study provide answers on these issues. The fatigue behavior is modeled using a finite element model coupled with Dang Van fatigue criterion. The modelization of nitrided steel, and particularly of its material properties, is complex. Given the property gradient between the surface and the bulk material, the resistance limits are indeed different. Independently tested, it is shown that neither surface nor bulk parameters can correctly model the fatigue behavior of the whole material. It is necessary to take into account the property gradient to model a fatigue response corresponding to the experimental observations. In this study the gradient of fatigue properties, difficult to measure, is similar to the micro-yield stress, more accessible. This model highlight the reason for the coexistence of surface defects and subsurface fatigue in the studied case. Indeed, although the load is highly located on the surface, the decrease of property material in the subsurface causes the appearance of deep areas undergoing fatigue. Realized experiments highlight the role of cementite precipitates on initiation of cracks. Their over-presence near microcracks confirms indeed their disruptive role of the involved phenomena. These carbide boundaries, which elastic behavior is similar to that of steel, seem to speed up the initiation. This is explained by the incompatibility of deformations in the microplastic field around precipitates. This incompatibility causes the de-cohesion of these elements thus generating microcracks. These microcracks can cross the cementite precipitates, circumvent it or more rarely propagate in steel. In the end, the proposed model predicts the fatigue response behavior of nitrided steel. The hypotheses formulated on the role of carbide precipitation in the literature seem to be verified experimentally and allow to propose scenarios proposed based on experimental observations and realists physical considerations

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Müller, Guillaume. "Conception, élaboration et caractérisation de matériaux de composition et de microstructure innovants pour les micro-piles à combustible à oxyde solide." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00833281.

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Abstract:

Les micro-piles à combustible à oxyde solide (micro-SOFC) apparaissent comme des sources d'énergie miniatures attractives et constituent une réelle rupture technologique permettant une solution alternative aux accumulateurs Li-ion actuels. Dans ce contexte, ce travail concerne la synthèse, la caractérisation structurale, microstructurale et électrochimique de films minces denses et poreux de composition et de structure variées : LSCF-CGO, Ni(O)-CGO et CGO. Ces matériaux ont été intégrés comme cathode, anode et électrolyte respectivement dans un dispositif type micro-SOFC fonctionnant vers 400-600°C à partir de H2 comme carburant. L'architecture de la cellule et son procédé de synthèse diffèrent de ceux proposés dans la littérature. En effet, des gradients de porosité et de composition ont été réalisés aux électrodes de manière à limiter les phénomènes de polarisation d'activation et de concentration. De plus, le choix du procédé de synthèse, sol-gel couplé à la méthode de trempage-retrait pour la mise en forme des matériaux, a été guidé par des critères économiques et de facilité de mise en œuvre. Pour la synthèse des films minces denses d'électrolyte (CGO), une autre méthode de synthèse (ALD) a également été utilisée. Dans ce travail, nous avons étudié plus particulièrement les relations qu'il existe entre les propriétés structurale, microstructurale et électrique des films minces poreux d'électrodes, dans les conditions de synthèse et de fonctionnement in fine de la cellule. Sur la base de cette étude, la fabrication et l'évaluation des propriétés électriques de ces micro-SOFC déposées sur un support poreux de Pt/Al2O3 ont été réalisées

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Boulvert, Jean. "Traitements acoustiques à porosité contrôlée pour atténuation optimale." Thesis, Le Mans, 2020. http://www.theses.fr/2020LEMA1033.

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Abstract:

Cette thèse exploite certaines possibilités offertes par la fabrication additive pour concevoir et optimiser des traitements pour l'atténuation acoustique à base de matériaux poreux sous un nouvel angle. La fabrication additive permet de contrôler chaque pore d'un matériau individuellement. Le processus de conception de traitement poreux est chamboulé : pour répondre à un problème, au lieu de chercher parmi un catalogue de matériaux existants, il est possible de concevoir directement le matériau adéquat en ajustant sa microstructure. Cette recherche s'inscrit dans une démarche de réduction du bruit des réacteurs d'avion mais s'étend au-delà du domaine aéronautique, aussi bien au niveau théorique qu'à celui de ses possibles applications. Une méthode de prédiction de comportement acoustique de matériaux poreux produits par fabrication additive prenant en compte l'impact des défauts de fabrication est d'abord introduite. Les matériaux poreux à gradient de propriétés contrôlé sont ensuite étudiés. Une méthode d'optimisation des paramètres microstructuraux ou de fabrication est développée. La capacité des matériaux poreux à gradient de propriété à atténuer des fréquences hors de portée des matériaux sans gradient est ainsi prouvée et le gradient optimal pour l'atténuation large bande est défini. L'impact de la taille des parois des pores ainsi que l'impact de possibilité du son de se propager transversalement dans un matériau poreux est étudié. Enfin, un traitement métaporeux permettant l'absorption large bande et sub-longueur d'onde est développé. Les résultats de cette recherche peuvent être mis en application pour créer des traitements poreux à forte capacité d'atténuation du bruit. Cette recherche fait appel à des modèles analytiques et numériques basés sur l'hypothèse selon laquelle le matériau poreux peut être considéré acoustiquement comme un fluide équivalent, à l'analyse physique des comportements et à des validations expérimentales au travers de tests en tube d'impédance de spécimens produits par fabrication additive This thesis exploits some of the new possibilities offered by additive manufacturing to design and optimize treatments for sound attenuation consisting in porous materials. Additive manufacturing allows to control individually each pore of a material. The porous treatment design process is turned upside down: instead of searching through a catalogue of existing materials to solve a problem, it is possible to directly design the right material by adjusting its microstructure. This research is part of a plan to reduce aircraft engine noise but extends beyond the aeronautical field, both theoretically and in terms of possible applications. A predicting method of the acoustic behaviour of porous materials produced by additive manufacturing and taking into account the impact of manufacturing defects is first introduced. Porous materials with controlled graded properties are then studied. A method for optimizing microstructural or manufacturing parameters is developed. The ability of graded porous materials to attenuate frequencies too low to be attenuated by non-graded materials is then proven and the optimal gradient for broadband attenuation is defined. The impact of the wall thickness of the pores along with the impact of transverse propagation inside porous materials is studied. Finally, a metaporous treatment allowing broadband and sub-wavelength absorption is developed. The results of this research can be applied to create porous treatments with a high noise attenuation. The analytical and numerical models used in this research are based on the hypothesis of porous materials acoustically behaving as equivalent fluids. The results are physically analyzed and experimentally validated through impedance tube testing of specimens produced by additive manufacturing

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Boulesteix, Rémy. "Densification du grenat d'yttrium et d'aluminium pur ou dopé sous forme de céramiques transparentes : relation entre microstructure et propriétés optiques : élaboration de matériaux à gradient de concentration en néodyme." Limoges, 2009. http://www.theses.fr/2009LIMO4040.

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Huc, Delphine. "Hiérarchisation des facteurs contribuant à la croissance des bulles dans des fromages à pâte pressée non cuite par une approche multi-échelles." Phd thesis, Université Rennes 1, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00931927.

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Abstract:

L'objectif de la thèse était de déterminer les paramètres impactant la croissance des bulles dans des fromages à pâte pressée non cuite et de les hiérarchiser. Ce travail s'est appuyé sur la confrontation de données complémentaires telles que la composition, les propriétés rhéologiques, le métabolisme bactérien, la microstructure et l'ouverture des fromages. La plupart des méthodologies mises en place étaient originales, notamment l'imagerie 3D couplée à un traitement d'images permettant d'obtenir le nombre et le volume des yeux mais aussi leur localisation dans les fromages et leur cinétique individuelle de croissance. Or un fort gradient de taille et de cinétique de croissance a été mis en exergue entre le centre et la périphérie des fromages, avec des bulles moins nombreuses, plus petites et croissant moins vite en périphérie qu'à cœur. Plusieurs pistes ont été explorées pour expliquer ces disparités. La microstructure des deux zones n'ayant pas présenté de différence significative, les seuls paramètres en mesure de provoquer le gradient d'ouverture étaient la teneur en sel et les propriétés rhéologiques. En effet, la périphérie des fromages est plus salée et plus dure que le centre. La combinaison d'IRM et de respirométrie a permis de démontrer que le sel influence le gradient d'ouverture des fromages via la production de CO2 en ralentissant la croissance et le métabolisme des bactéries et potentiellement via sa solubilité. La dureté plus élevée de la périphérie des fromages pourrait accentuer les écarts. Le facteur clef de contrôle du gradient d'ouverture dans les fromages type PPNC emballés serait donc le sel, bien que les étapes de procédé précédant l'affinage semblent également être un paramètre intéressant à étudier car elles déterminent l'état initial des fromages en entrée d'affinage.

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Liu, Meishuai. "Study on microstructural and crystallogarphic characteristics of phase transformation induced by ECP in annealed Cu-40%Zn alloy." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2019. http://www.theses.fr/2019LORR0210.

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Abstract:

Ce travail porte sur les caractéristiques microstructurales et cristallographiques des alliages Cu-40%Zn traités par Electric Current Pulse (ECP). La relation d'orientation (RO) de transformation de phase et sa corrélation avec les défauts cristallins ont été étudiés. Les mécanismes de formation des défauts cristallins dans la phase mère et des sous-structures dans les précipités β induit par L'ECP ont également été étudiés. La transformation de la phase α en β peut être induite par un traitement ECP avec formation de précipités fins β pouvant persister à température ambiante. Avec l'augmentation de la densité de courant électrique, la quantité de précipités et les sites de formation augmentent des joints de grains α à l'intérieur des grains. Les précipités β suivent différentes RO en fonction du site de formation. Les joints de grains β sont en RO Kurdjumov-Sachs (KS); tandis que les β intragranulaires sont en Nishiyama-Wasserman (NW). Dans les premiers sites, on observe des dislocations {111}α/<11̅0>α, alors que dans les seconds, les fautes d’empilements {111}α/<112̅>α sont présentes. Les analyses de déformation de transformation ont révélé que, en RO KS, la déformation maximale du réseau requise est un cisaillement sur le système {111}α/<112̅>α, tandis qu'en NW, la déformation maximale correspond à un cisaillement sur le système {111}α/<112̅>α. Ainsi, les dislocations {111}α/<11̅0>α existants le long des joints de grains α fournissent la précontrainte requise par la transformation KS, alors que les fautes d'empilement {111}α/<112̅>α entourées par les dislocations partielles {111}α/<112̅>α offrent une précontrainte facilitant la transformation NW. Différents types de défauts cristallins sont formés dans la matrice α par les traitements ECP en fonction de la densité de courant. À faible densité, une grande quantité de fautes d'empilement {111}α/<112̅>α, puis des nano-mâcles sont produites dans la matrice α. A haute densité, des réseaux de dislocations sont formés à proximité des précipités β composés de dislocations coins parfaites {111}α/<11̅0>α et des dislocations de Frank. La différence de volume entre le phases α et β analysée avec la déformation de transformation révèle que cette dernière nécessite une dilatation dans la direction [11̅0]α et une contraction dans la direction [111]α. La première entraîne l’apparition de dislocations coins {111}α/<11̅0>α devant les larges faces {31̅1}α et la dernière induit la formation des dislocations de Frank devant les larges faces {121}α. Ainsi, des réseaux de dislocations se forment le long des bords des grandes faces des précipités β où les deux types de dislocations se rencontrent. De plus, les précipités β contiennent deux types d’agrégats atomiques de taille nanométrique de structure n en RO Burgers et de structure ω en RO Blackburn avec la matrice β. Ils ont été formés par un déplacement atomique en deux étapes. Pour la structure n, la première étape est le brassage atomique de chaque second plan {110}β dans la direction <11̅0>β et la seconde consiste en un changement de structure principalement par un cisaillement selon {11̅2}β /<1̅11>β. Pour la structure ω, le premier est un mélange atomique sur chaque deuxième et troisième plan {112̅}β dans les directions ±[111]β, puis des déformations normales dans trois directions perpendiculaires (<111>β, <112̅>β et <11̅0>β). L’apparence concomitante des deux structures réside dans le fait que l’augmentation de volume accompagnant la formation de n peut être annulée par la diminution de volume accompagnant la distorsion ω, ce qui minimise l’énergie de déformation de transformation. Ce travail fournit des informations fondamentales sur les alliages Cu-40%Zn pour interpréter l’impact des défauts sur les relations d'orientation de transformations en phase solide, sur la formation de divers types de défauts induits par la transformation de phase ultra-rapide ainsi que sur les mécanismes de formation des sous-structures des phases produites A thorough investigation has been conducted on the microstructural and crystallographic features of Electric Current Pulse (ECP) treated Cu-40%Zn alloys. The phase transformation orientation relationship (OR) and its correlation with crystal defects have been studied and the formation mechanisms of ECP induced crystal defects in the parent phase and the sub-structures in the β precipitates were also analyzed. The α to β heating phase transformation can be induced by ECP treatment with the formation of fine β precipitates that can be remained to the room temperature. With the increase of the electric current density, the amount of precipitates is increased and the formation sites increase from α grain boundaries to grain interiors. The β precipitates follow different ORs depending on the formation site. The grain boundary β phase obeys the Kurdjumov-Sachs (K-S) OR; whereas the intragranular β respects the Nishiyama-Wasserman (N-W) OR. In the former sites, the {111}α /<11̅0>α dislocations are observed, whereas in the latter, the {111}α/<112̅>α stacking faults are found. Transformation strain analyses revealed that under the K-S OR the maximum lattice deformation required is a shear on the {111}α /<11̅0>α slip system, whereas under the N-W OR the maximum deformation is a shear on the {111}α /<112̅>α system. Thus the existing {111}α /<11̅0>α dislocations along the α grain boundaries provide pre-strain required by the transformation via the K-S path, whereas the {111}α /<112̅>α stacking faultsboarded by {111}α /<112̅>α partial dislocations offer pre-strain facilitating the transformation via the N-W path. Different types of crystal defects are formed in the α matrix by the ECP treatments depending on the current density. At low density, large amount of {111}α /<112̅>α stacking faults and then nano twins are produced in the α matrix. At high density, dislocation nets are formed near the β precipitates that are composed of edge typed {111}α /< 11̅0 >α perfect dislocations and the Frank typed dislocations. The volume misfit between the α and the β phase analyzed with transformation deformation reveals that the transformation from α to β requires an expansion along [11̅0]α direction and a contraction along [111]α direction. The former results in the appearance of the {111}α /<11̅0>α edge typed dislocation arrays in front of the {31̅1}α broad faces and the latter induces the formation of the Frank typed dislocations in front of the {121}α broad faces. Thus, dislocation nets formed along the edges of the broad faces of the β precipitates where the two kinds of dislocations meet. Furthermore, the β precipitates contain two kinds of nano-sized and diffuse atomic clusters with the  structure obeying the Burgers OR and with the ω structure obeying the Blackburn OR with the β matrix. They were each formed through a two-stepped atomic displacement. For the  structure, the first step is the atomic shuffle of each second {110}β plane in the <11̅0>βdirection and the second is a structure change mainly by a shear on the {11̅2}β /<1̅11>β. For the ω structure, the first is an atomic shuffle on each second and third {112̅}β plane in the ±[111]β directions and then normal strains in three mutually perpendicular directions (<111>β, <112̅>β and <11̅0>β). The concomitant appearance of the two structures lies in the fact that the volume increase accompanying the  formation can be canceled by the volume decrease accompanying the ω distortion, which minimizing the transformation strain energy. The results of this work provide fundamental information on the Cu-40%Zn alloys for interpreting the impact of the crystal defects on the solid phase transformation ORs, on the formation of various types of crystal defects induced by the ultra-rapid phase transformation and on the formation mechanisms of sub structures in the product phase

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Ben, Elhaj Salah Sami. "Modélisation non-locale et stochastique de matériaux à fort gradient de propriétés par développement asymptotique." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2019. http://www.theses.fr/2019ESMA0018.

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Abstract:

Le but est de proposer un modèle macroscopique, déterministe et non-local, construit par transition d'échelle pour des matériaux hétérogènes à fort gradient de propriétés, constitués d’inclusions distribuées dans une matrice élastique suivant un processus stochastique ergodique. La méthode des développements asymptotiques, ici étendue dans un cadre aléatoire, est combinée avec une approche énergétique pour faire apparaître le second gradient de déplacement dans l'expression de l'énergie de déformation. Un premier modèle est ainsi obtenu et implique trois tenseurs d'élasticité homogénéisés fonctions du paramètre stochastique et des propriétés des phases. Contrairement à la littérature, il fait intervenir deux longueurs caractéristiques fortement reliées à la microstructure. La mise en œuvre numérique est réalisée pour deux types de microstructures tridimensionnelles de complexité morphologique croissante. Les premières sont virtuelles générées à partir d'un motif simple (une inclusion entourée de six petites) distribué aléatoirement. Les secondes sont des microstructures réelles d'Ethylène-Propylène-Diène Monomère obtenues par tomographie, contenant des clusters d'inclusions de structures complexes.Une seconde transition d'échelle à l'aide d'outils d'homogénéisation variationnelle stochastique dans le cas ergodique est réalisée afin d’obtenir un modèle homogène, exploitable en calculs de structures. Le passage à la limite sur le paramètre d’hétérogénéité émanant du développement asymptotique précédent est ainsi effectué par la méthode de Γ-convergence avec pour objectif de conserver un maximum d'information microstructurale. In fine, le modèle obtenu est macroscopique, non-local, déterministe et richement connecté à la microstructure. La non-localité s'exprime non seulement par le second gradient de déplacement mais aussi par la présence du champ de déplacement virtuel (mémoire) des inclusions. Le lien fort avec la microstructure s'exprime toujours par la présence du paramètre stochastique et des propriétés des phases, mais aussi par celle des fractions asymptotiques de la phase inclusionaire dans le matériau et dans les volumes morphologiques définis par les longueurs caractéristiques intervenant dans le modèle.Pour une future utilisation pratique du modèle, un élément fini non-local et enrichi avec des interpolations de type Hermite est implémenté dans le solveur élément fini FoXtroT de l'Institut Pprime. Il prend en compte le champ de déplacement virtuel (mémoire) des inclusions et les gradients des champs de déplacement macroscopique et virtuel. Les premiers résultats sur cet aspect inédit sont encourageants The aim is to propose a macroscopic, deterministic and non-local model, constructed by scale transition for heterogeneous materials with high property gradients and containing a random distribution of inclusions. More precisely, the inclusions are distributed in an elastic matrix according to a stochastic ergodic process. Several non-local models exist in the literature, but they do not allow (or very little) to obtain non-local quantities and/or fields at the macroscopic scale from a scale-transition. Besides, it is often difficult to link the non-local parameters to the microstructure. To this aim, we developed a two-step approach.In the first stage, we combined the method of asymptotic developments with an energetic approach to reveal a second displacement gradient in the strain energy. The advanced model involves three homogenized elasticity tensors functions of the stochastic parameter and of the phase properties. As opposed to the literature, the model involves two characteristic lengths strongly linked to the microstructure. These lengths define two morphological representative elementary volumes on which full field simulations are performed in order to determine the macroscopic strain tensors at orders 0 and 1 involved in the formulation of the model. In order to test this first version of the model, numerical simulations were performed. The estimate of the classical part of the energy, coming from the local part of the fields, has been successfully compared to classical bounds for a composite bar consisting of a random distribution of two homogeneous and isotropic elastic materials. Then, numerical solving of the whole model including the non-local terms has been performed in the three-dimensional case. Two types of microstructures with increasing morphological complexity were used. The first ones are virtual microstructures generated from a given simple pattern randomly distributed throughout the structure and composed of a big inclusion circled by six identical small ones. The second are real microstructures of Ethylène-Propylène-Diène Monomère (EPDM) obtained by tomography and containing clusters of inclusions with complex structures.In order to obtain a macroscopic model that can be used for structure analysis, without any full field intermediate calculations, a second scale transition has been performed using stochastic variational homogenization tools in the ergodic case. More precisely, the Γ-convergence method has been used in order to have a convergence of energy rather than that of mechanical fields, aiming at keeping a strong microstructural content. In fine, the model is macroscopic, non-local, deterministic and strongly connected to the microstructure. Non-local effects are now accounted for by the presence of the second displacement gradient but also by the presence of the virtual (memory) displacement field of the inclusions. The link with microstructure is still manifest through the presence of the stochastic parameter and phase properties, but also by the presence of the asymptotic fractions of the inclusion phase in the material and in each of the morphological volumes defined by the model characteristic lengths. In order to prepare the use of the model for structure calculations, a non-local finite element enriched with Hermit-type interpolations was implemented in FoXtroT, the finite element solver of the Pprime Institute. This element takes into account the virtual (memory) displacement field related to inclusions as well as the gradients of the macroscopic and virtual displacement fields. The first numerical results on this aspect, to our knowledge never discussed in the literature, are promising

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Jeyabalan, Karthikeyan. "Experimental study and prediction of microstructures and internal stresses during heat treatment of carburized and carbonitrided low-alloyed steels." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2022. http://www.theses.fr/2022LORR0379.

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Abstract:

Les traitements thermochimiques de carbonitruration sont utilisés dans l’industrie automobile pour conférer à des pièces (pignons…) des résistances à la fatigue et à l’usure élevées. Ils consistent à générer des gradients de carbone et d’azote en surface des pièces par diffusion dans le domaine austénitique à haute température et à les refroidir rapidement pour obtenir les gradients de microstructures, de propriétés mécaniques et de contraintes résiduelles de compression en surface désirés pour les propriétés en service. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les effets de gradients de teneur en carbone et d’azote sur la genèse des contraintes internes au cours du refroidissement en relation avec les cinétiques de transformations de phases ainsi que les distributions de contraintes résiduelles en fin de traitement par une démarche expérimentale et de modélisation. Du point de vue expérimental, la première étape est l’élaboration d’échantillons de laboratoire à gradients de teneur en carbone et d’azote contrôlés représentatifs des pièces. Puis, les cinétiques de transformations de phases et les évolutions des contraintes internes ont été analysées par diffraction des rayons X haute énergie (synchrotron) au travers des gradients de composition chimique en mettant en œuvre une nouvelle méthodologie. A notre connaissance, c’est la première fois que les contraintes internes ont été mesurées in situ dans des échantillons à gradients. Des résultats nouveaux et inattendus ont été obtenus en présence d’azote : il a été montré que la chronologie des transformations de phases entre le cœur et la surface enrichie en azote de l’échantillon est complètement inversée par comparaison avec le cas plus classique de la cémentation (enrichissement en carbone seul) ce qui conduit à un profil inversé de contraintes résiduelles avec des contraintes de traction en surface et des contraintes de compression à cœur. Ce comportement a été relié à l’accélération des transformations de phases diffusives dans la couche nitrurée qui diminue sa trempabilité. Un modèle couplé thermique-transformation de phase-mécanique a aussi été développé pour prévoir les évolutions de températures, les cinétiques de transformations de phases, les évolutions de contraintes internes ainsi que les distributions de microstructures finales, duretés, contraintes résiduelles dans des échantillons à gradients. Le modèle de calcul des transformations de phases développé dans une thèse antérieure a été implémenté dans le code de calcul par éléments finis Zebulon. La loi de comportement du matériau est thermo-élasto-viscoplastique et tient compte des déformations de transformations de phases (changement de volume et plasticité de transformation). Tous les paramètres matériau (thermomécaniques et thermo-physiques) sont fonction de la température, des phases en présence et de la teneur en carbone et en azote. Ils ont été déterminés par des caractérisations expérimentales d’éprouvettes enrichies de manière homogène en carbone et en azote et en se basant sur des données « maison ». Les simulations numériques ont confirmé et permis de comprendre de manière détaillée les évolutions complexes des microstructures et des contraintes internes liées aux gradients combinés de carbone et d’azote. Les comparaisons calcul-expérience montrent que la simulation permet de prévoir les principales tendances révélées par les observations expérimentales. Les écarts sur les niveaux de contraintes sont principalement attribués à la sous-estimation par le calcul des taux d’austénite résiduelle due au fait que le modèle métallurgique actuel ne tient pas compte de la stabilisation de l’austénite au cours du refroidissement Carbonitriding thermochemical treatments are used in automotive industry for improving fatigue and wear resistance of mechanical parts. These treatments aim to generate gradients of carbon and nitrogen in the surface aera of the piece by diffusion in the austenitic field, and with the following quenching the desired gradients of microstructures, mechanical properties, and compressive residual stresses on the surface are obtained. The objective of the PhD thesis is to better understand the effects of carbon and nitrogen gradients on the development of internal stresses during cooling in relationship with the phase transformations as well as on the residual stresses distributions after cooling. The approach consists first of the elaboration of laboratory samples with controlled carbon and nitrogen gradients representative of the parts. Then, the kinetics of phase transformations and the internal stresses evolutions have been analysed experimentally by in situ High Energy (synchrotron) X-ray Diffraction throughout the chemical composition gradients thanks to a specific new methodology. To our knowledge, it is the first time internal stresses can be measured in situ during cooling in gradient specimens. Unexpected results have been obtained in nitrogen enriched samples; it has been shown that the chronology of phase transformations between core and surface is inversed as compared to the more classical case of carburizing leading to completely inversed residual stress profiles with tensile stresses in the nitrogen enriched layer and compression in the core. It has been related to the acceleration of transformation kinetics in the nitrided layer that decreases its hardenability. A coupled thermal-metallurgical-mechanical model has been developed too to predict temperature evolutions, phase transformations kinetics, internal stresses evolutions as well as final microstructure, hardness and residual stress distributions in the gradient samples. The metallurgical model developed in a previous study has been implemented in the finite element code Zebulon. The thermomechanical behaviour law of the material is thermoelastoviscoplastic including transformation strains (volumic variations and transformation plasticity strains). All material parameters (thermomechanical and thermophysical parameters) are considered as temperature, phase and carbon and nitrogen dependent; they have been determined from experimental characterizations on carbon and nitrogen homogeneously enriched specimen and in house data. The simulations allowed to confirm and understand more in details the complex microstructure and internal stresses evolutions due to combined nitrogen and carbon gradients. The comparison between calculated and experimental results shows that the simulation gives the main tendencies of the experimental observations. The main discrepancies on the level of residual stresses are attributed to the underestimation of the retained austenite fractions as the present model does not take into account its stabilization during cooling

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Maudet, Florian. "Couches nanostructurées par dépôt en incidence oblique : corrélations microstructure et propriétés optiques pour application aux traitements antireflets hautes performances dans le visible étendu et l'infrarouge." Thesis, Poitiers, 2018. http://www.theses.fr/2018POIT2295/document.

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Abstract:

Les traitements antireflets (AR) sont très largement utilisés pour améliorer la transmission de systèmes optiques composés de hublots, lentilles, de lames séparatrices,… Dans cette thèse les gammes spectrales visées sont le visible étendu [400-1800nm] et le moyen infrarouge [3,7-4,8µm]. La méthode de nanostructuration par dépôts de films minces utilisant des techniques PVD en incidence oblique (Oblique Angle Deposition) a été choisie car elle permet d’envisager des AR hautes performances sur une large gamme de longueur d’onde, via un procédé industrialisable. L’introduction de porosité via le contrôle des angles de dépôt est utilisée pour nanostructurer l’architecture de chaque couche et de l’empilement ; méthode permettant de modifier et d’optimiser les propriétés optiques des couches constituantes en vue d’un design complet optimal. Une cartographie des indices effectifs accessibles par OAD a été dégagée concernant les trois matériaux déposés (TiO2, SiO2 et Ge). Mais les propriétés optiques de ces couches nanostructurées diffèrent largement de celles des couches denses du fait de la présence d’anisotropie, de gradient d’indice, de diffusion et d’absorption. A partir de caractérisations microstructurales, chimiques et optiques poussées (AFM, MEB, MET, tomographie FIB, tomographie MET, EDX, EELS, spectrophotométrie et ellipsométrie généralisée) un modèle optique analytique plus complexe et couplé à des analyses par éléments finis (FDTD) est présenté. L’ensemble du travail a permis d’élaborer par OAD de simples antireflet bicouches démontrant déjà de hauts niveaux de transmission, supérieurs aux traitements AR existants (interférentiel) ou en développement (Moth-eyes) Anti-reflective (AR) coatings are widely used to improve the transmission of optical systems composed of window, lenses, separating filters,... In this thesis, the spectral ranges targeted are the extended visible [400-1800nm] and the mid infrared [3.7-4.8µm]. Thin film deposition nanostructuring method using oblique angle deposition (oblique angle deposition) PVD technique was chosen because it allows high performance AR to be considered over a wide wavelength range, by an industrial process. The introduction of porosity with the control of deposition angle is used to nanostructure the architecture of each layer and stack; a method for modifying and optimizing the optical properties of the constituent layers for optimal complete design. A mapping of the effective indices accessible by OAD has been identified for the three materials deposited (TiO2, SiO2 and Ge). However optical properties of these nanostructured layers differ greatly from those of dense layers due to the presence of anisotropy, index gradient, diffusion and absorption. Based on advanced microstructural, chemical and optical characterizations (AFM, SEM, TEM, FIB tomography, TEM tomography, EDX, EELS, spectrophotometry and generalized ellipsometry) a more complex analytical optical model coupled with finite element analyses (FDTD) is presented. All the work has enabled OAD to develop simple two-layer anti-reflective coatings that already demonstrate high levels of transmission, superior to existing (interferential) or work in progress (Moth-eyes) AR treatments

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Thomas, Jonova. "Microstructural Phase Evolution In Laser Deposited Compositionally Graded Titanium Chromium Alloys." Thesis, University of North Texas, 2016. https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc849610/.

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A compositionally graded Ti-xCr (10≤x≤30 wt%) alloy has been fabricated using Laser Engineered Net Shaping (LENSTM) to study the microstructural phase evolution along a compositional gradient in both as-deposited and heat treated conditions (1000°C followed by furnace cooling or air cooling). The alloys were characterized by SEM BSE imaging, XRD, EBSD, TEM and micro-hardness measurements to determine processing-structure-property relations. For the as-deposited alloy, α-Ti, β-Ti, and TiCr2 (C15 Laves) phases exist in varying phase fractions, which were influential in determining hardness values. With the furnace cooled alloy, there was more homogeneous nucleation of α phase throughout the sample with a larger phase fraction of TiCr2 resulting in increased hardness values. When compared to the air cooled alloy, there was absence of wide scale nucleation of α phase and formation of ω phase within the β phase due to the quicker cooling from elevated temperature. At lower concentrations of Cr, the kinetics resulted in a diffusionless phase transformation of ω phase with increased hardness and a lower phase fraction of TiCr2. In contrast at higher Cr concentrations, α phase separation reaction occurs where the β phase is spinodally decomposed to Cr solute-lean β1 and solute-rich β2 resulting in reduced hardness.

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Ozturk, Tugce. "Experimental and Computational Investigation of the Microstructure-Mechanical Deformation Relationship in Polycrystalline Materials, Applied to Additively Manufactured Titanium Alloys." Research Showcase @ CMU, 2017. http://repository.cmu.edu/dissertations/900.

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Abstract:

Parts made out of titanium alloys demonstrate anisotropic mechanical properties when manufactured by electron beam melting, an emerging additive manufacturing technique. Understanding the process history dependent heterogeneous microstructure, and its effect on mechanical properties is crucial in determining the performance of additively manufactured titanium alloys as the mechanical behavior heavily relies on the underlying microstructural features. This thesis work focuses on combined experimental and computational techniques for microstructure characterization, synthetic microstructure generation, mechanical property measurement, and mechanical behavior modeling of polycrystalline materials, with special focus on dual phase titanium alloys. Macroscopic mechanical property measurements and multi-modal microstructure characterizations (high energy X-ray diffraction, computed tomography and optical microscopy) are performed on additively manufactured Ti-6Al-4V parts, revealing the heterogeneity of the microstructure and properties with respect to the build height. Because characterizing and testing every location within a build is not practical, a computational methodology is established in order to reduce the time and cost spent on microstructure-property database creation. First a statistical volume element size is determined for the Fast Fourier Transform based micromechanical modeling technique through a sensitivity study performed on an experimental Ni-based superalloy and syntheticW, Cu, Ni and Ti structures, showing that as the contrast of properties (e.g., texture, field localization, anisotropy, rate-sensitivity) increases, so does the minimum simulation domain size requirement. In all deformation regimes a minimum volume element is defined for both single and dual phase materials. The database is then expanded by generating statistically representative Ti structures which are modified for features of interest, e.g., lath thickness, grain size and orientation distribution, to be used in spectral full-field micromechanical modeling. The relative effect of the chosen microstructural features is quantified through comparisons of average and local field distributions. Fast Fourier transform based technique, being a spectral, full-field deformation modeling tool, is shown to be capable of capturing the relative contribution from varying microstructural features such as phase fractions, grain morphology/ size and texture on the overall mechanical properties as the results indicate that the mean field behavior is predominantly controlled by the alpha phase fraction and the prior beta phase orientation.

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Antonysamy, Alphons Anandaraj. "Microstructure, texture and mechanical property evolution during additive manufacturing of Ti6Al4V alloy for aerospace applications." Thesis, University of Manchester, 2012. https://www.research.manchester.ac.uk/portal/en/theses/microstructure-texture-and-mechanical-property-evolution-during-additive-manufacturing-of-ti6al4v-alloy-for-aerospace-applications(03c4d403-822a-4bfd-a0f8-ef49eb65e7a0).html.

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Abstract:

Additive Manufacturing (AM) is an innovative manufacturing process which offers near-net shape fabrication of complex components, directly from CAD models, without dies or substantial machining, resulting in a reduction in lead-time, waste, and cost. For example, the buy-to-fly ratio for a titanium component machined from forged billet is typically 10-20:1 compared to 5-7:1 when manufactured by AM. However, the production rates for most AM processes are relatively slow and AM is consequently largely of interest to the aerospace, automotive and biomedical industries. In addition, the solidification conditions in AM with the Ti alloy commonly lead to undesirable coarse columnar primary β grain structures in components. The present research is focused on developing a fundamental understanding of the influence of the processing conditions on microstructure and texture evolution and their resulting effect on the mechanical properties during additive manufacturing with a Ti6Al4V alloy, using three different techniques, namely; 1) Selective laser melting (SLM) process, 2) Electron beam selective melting (EBSM) process and, 3) Wire arc additive manufacturing (WAAM) process. The most important finding in this work was that all the AM processes produced columnar β-grain structures which grow by epitaxial re-growth up through each melted layer. By thermal modelling using TS4D (Thermal Simulation in 4 Dimensions), it has been shown that the melt pool size increased and the cooling rate decreased from SLM to EBSM and to the WAAM process. The prior β grain size also increased with melt pool size from a finer size in the SLM to a moderate size in EBSM and to huge grains in WAAM that can be seen by eye. However, despite the large difference in power density between the processes, they all had similar G/R (thermal gradient/growth rate) ratios, which were predicted to lie in the columnar growth region in the solidification diagram. The EBSM process showed a pronounced local heterogeneity in the microstructure in local transition areas, when there was a change in geometry; for e.g. change in wall thickness, thin to thick capping section, cross-over’s, V-transitions, etc. By reconstruction of the high temperature β microstructure, it has been shown that all the AM platforms showed primary columnar β grains with a <001>β.

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Armattoe, Kodjo Mawuli. "Modélisation non-locale du comportement thermomécanique d'Alliages à Mémoire de Forme (AMF) avec prise en compte de la localisation et des effets de la chaleur latente lors de la transformation de phase : application aux structures minces en AMF." Thesis, Université de Lorraine, 2014. http://www.theses.fr/2014LORR0053/document.

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Abstract:

Dans ce travail, des modèles thermomécaniques basés sur une approche non-locale sont proposés pour décrire le comportement des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) avec la prise en compte des effets de la localisation et de la chaleur latente lors de la transformation de phase. Ces modèles sont obtenus comme des extensions d’un modèle local existant. Pour décrire la localisation de la transformation de phase, l’extension du modèle initial a consisté à le réécrire dans un contexte non-local par l’introduction d’une nouvelle variable, définie comme la contrepartie non-locale de la fraction volumique de martensite déjà présente dans le modèle local. L’exploitation de ce modèle a nécessité le développement d’un élément fini spécial dans ABAQUS avec la fraction volumique non-locale de martensite comme un degré de liberté supplémentaire. Les simulations réalisées montrent la pertinence d’une telle approche dans la description de la transformation de phase dans des structures minces en AMF, soumises à des chargements thermomécaniques. Pour décrire les effets de la chaleur latente, une équation d’équilibre thermique ayant comme terme source des contributions dépendant de la transformation de phase a été adjointe au modèle initial. Là encore, l’exploitation du modèle a nécessité le développement d’un élément fini qui prend en compte le couplage thermomécanique et la formulation proposée pour l’équilibre thermique. Les simulations numériques réalisées ont montré l’effet retardant sur la transformation de phase de la chaleur latente, et le caractère hétérogène possible de la transformation dans ce cas. Ces effets sont d’autant plus importants que la vitesse de déformation est élevée In this Phd thesis, thermo-mechanical models based on a nonlocal approach are proposed in order to describe the behavior of Shape Memory Alloys (SMA), taking into account localization and latent heat effects during phase transformation. These models are obtained as extensions of an existing local model. In order to describe the localization of phase transformation, the extension of the initial model consisted of rewriting it in a nonlocal context through the introduction of a new variable, defined as the nonlocal counterpart of the martensite volume fraction. The use of this model has required the development of a specific finite element in ABAQUS with the nonlocal martensite volume fraction as an additional degree of freedom. The simulations show the relevance of such an approach in the description of the phase transformation occurring in thin SMA structures subjected to thermo-mechanical loadings. To achieve the description of the latent heat effects, a heat balance equation with a source term depending on contributions of the phase transformation was added to the constitutive equations of the initial model. Even there, the use of the model required the development of a finite element which takes into account the thermo-mechanical coupling and considers the proposed formulation for the thermal balance. Numerical simulations have shown the delaying effect of the latent heat on phase transformation and the possible heterogeneous character of the phase transformation in this case. These effects are even more important as the strain rate is high

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Dissertations / Theses on the topic 'Gradients de microstructure'

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