Tesi sul tema "Acier au manganèse – Propriétés thermomécaniques"

Les aciers moyen manganèse appartiennent à la famille des aciers à très haute résistance mécanique (THR) de 3ème génération. Leurs propriétés exceptionnelles sont dues à leurs microstructures duplex particulières, qui contiennent une matrice "ferritique" de taille micrométrique et une quantité importante d'austénite résiduelle. Cette nouvelle génération d'aciers est considérée comme l'une des meilleures possibilités par les constructeurs automobiles pour continuer à améliorer la sécurité des véhicules légers tout en réduisant leur consommation d'énergie et donc leur empreinte environnementale. La bonne formabilité et la résistance élevée de ces aciers sont expliquées par la transformation martensitique induite par la déformation (SIMT) de l'austénite résiduelle pendant un chargement mécanique. La transformation progressive de l'austénite ductile en martensite dure provoque une augmentation rapide de l’écrouissage macroscopique de l'acier, mécanisme connu sous le nom d'effet de plasticité induite par la transformation (TRIP). La compréhension et la modélisation de la stabilité de l'austénite résiduelle et de la réponse mécanique associée de ces aciers sont donc d'un grand intérêt à la fois scientifique et industriel. Huit microstructures différentes ont été conçues sur la base de calculs thermodynamiques afin d'évaluer l'effet respectif de la morphologie, de la composition et de la taille des grains sur la stabilité de l'austénite. La formation des microstructures duplex lors du recuit intercritique a été caractérisée in situ par des expériences de diffractions des rayons X haute énergie (DRXHE) sur la ligne de lumière synchrotron. En plus de mesurer les cinétiques d'austénitisation en utilisant la méthode d’affinements Rietveld, ces expériences révèlent les mécanismes de précipitation/dissolution des carbures lors du chauffage et les grandes contraintes hydrostatiques résiduelles à l'échelle des phases obtenues après le refroidissement final. L'origine de ces contraintes hydrostatiques a été expliquée et quantifiée à travers un modèle. Un travail exhaustif de microscopie électronique à balayage (SEM) et de microsonde de Castaing a également été effectué pour mesurer les tailles et les compositions chimiques des différentes phases de la microstructure. Le comportement mécanique en traction des aciers étudiés a été mesuré en combinaison avec des expériences HEXRD et des mesures de corrélation d'images numériques (DIC). Ces expériences in situ uniques permettent de mesurer simultanément les cinétiques SIMT, la répartition des contraintes en 3D entre les phases (à savoir la ferrite, l'austénite et la martensite) en utilisant les méthodes des sin²ψ et les déformations locales le long des éprouvettes. Ceux-ci servent en particulier à caractériser les bandes de Lüders et de Portevin-Le Chatelier (PLC) qui affectent les aciers moyen Mn étudiés. Toutes ces données expérimentales ont servi à développer un modèle micromécanique à champ moyen innovant pour prédire le comportement en traction des aciers moyen Mn avec des microstructures austénite-ferrite-martensite. Il repose sur la description des comportements locaux de chaque phase et de la SIMT, tous deux étalonnés sur nos expériences HEXRD. Les écrouissages de l'austénite et de la ferrite sont modélisés grâce à un modèle sensible à la taille basées sur les densités de dislocations. Le comportement de la martensite fraîche et induite par la déformation est considéré, au contraire, comme une transition élastique/plastique étendue. Les cinétiques SIMT sont basées sur une évaluation thermodynamique de la stabilité de l'austénite résiduelle inspirée par le travail pionnier d'Olson et Cohen. Le modèle montre une excellente concordance avec les observations expérimentales
Medium manganese steels belong to the so-called 3rd generation of Advanced High Strength Steel (AHSS). Their ground-breaking properties are due to their particular duplex microstructures, which contain a micrometric “ferritic” matrix and a large amount of retained austenite. This new generation of steels is seen as one of the best possibilities for carmakers to continue improving the safety of light-duty vehicles and reduce their energy consumptions² and thus their environmental footprints. The good formability and the high resistance of those steels are explained by the strain-induced martensitic transformation (SIMT) of residual austenite during a mechanical loading. The gradual transformation of ductile austenite into high strength martensite causes a rapid increase in the macroscopic work-hardening of the steel, mechanism known as Transformation Induced Plasticity effect (TRIP). Understanding and modelling the stability of retained austenite and the related mechanical response of these steels are thus of great interest both from a scientific and industrial point of view.For this purpose, eight different microstructures have been designed based on thermodynamical calculations in order to evaluate the respective effect of the morphology, the composition and the grains size on austenite stability. The formation of the duplex microstructures during intercritical annealing have been characterized in situ by high-energy X-ray diffractions (HEXRD) experiments on synchrotron beamline. In addition to measuring austenitization kinetics using Rietveld refinements, these experiments reveal in an original way the mechanisms of primary precipitation/dissolution of carbides during heating and the large residual hydrostatic stresses at the scale of the phases obtained after final cooling. The origin of these latter has been explained and quantified through a model. An extensive scanning electron microscopy (SEM) and Castaing microprobe work was also conducted to measure the sizes and chemical compositions of the different microstructure components.The tensile mechanical behaviour of the studied steels has been measured in combination with HEXRD experiments and Digital Image Correlation (DIC) measurements. These unique in situ experiments permit to measure simultaneously the SIMT kinetics, the 3D stress partitioning between phases (namely ferrite, austenite and martensite) using sin²ψ methods and the local strains all along the tensile specimens. These latter serve in particular to characterize Lüders and Portevin-Le Chatelier (PLC) bands which affect the studied medium Mn steels.All those experimental inputs have served to develop an innovative mean field micromechanical framework to predict the tensile behaviour of medium Mn steels with austenite-ferrite-martensite microstructures. It relies on the description of the local behaviours of each constituting phase and of the SIMT of retained austenite, both calibrated on our HEXRD experiments. The work-hardening of austenite and ferrite are modelled thanks to a size-sensitive model based on dislocation densities. The behaviour of fresh and strain induced martensite is considered on the contrary as an extended elastic/plastic transition. The SIMT kinetics is based on a thermodynamical assessment of the stability of retained austenite inspired by Olson and Cohen pioneering work. The model is thus finally sensitive to the size of the microstructure components, to their local composition and to their respective stability and it shows an excellent agreement with the experimental observations

L'objet de ce rapport est l'étude de l'influence d'une variation de température sur le comportement mécanique d'un acier inoxydable austénitique 17-12 sph. On y présente deux types d'expériences: d'une part des essais de traction, de traction compression et de traction compression torsion pour lesquelles la température évolue par paliers; d'autre part des essais ou sollicitations mécaniques et thermiques évoluent simultanément. On montre que le matériau présente un durcissement supplémentaire lie a l'histoire de la température au cours des sollicitations cycliques uni et biaxees. L'alliage mémorise la valeur maximale de la contrainte cyclique, atteinte dans l'intervalle de température ou la dérive de la contrainte cyclique (en fonction de la température) est positive. On constate que l'effet d'histoire de la température est lie a la présence du pic d'écrouissage sur la courbe /2=f(t). La thèse proposée est que la nature physique du phénomène de mémorisation de la température est a mettre en relation avec les mécanismes d'écrouissages associes au maximum déjà cite. D'un point de vue de la modélisation, le formalisme thermodynamique a permis d'intégrer les termes en t dans les équations constitutives du modèle viscoplastique unifie développe au lmarc. On a postule l'existence d'une température fictive t* dont la formulation mathématique prend en compte les différentes propriétés expérimentales du comportement irréversible. En dernier lieu, le modèle dans sa version anisotherme est valide par une confrontation avec les résultats expérimentaux

Cette recherche s'inscrit dans un projet visant a maîtriser la tenue mécanique des réfractaires utilises dans les réacteurs métallurgiques. Cette problématique est complexe en raison de la structure composite des revêtements réfractaires, de la nature des matériaux dont le comportement est fortement non linéaire et des sollicitations (thermique, mécanique et chimiques) couples et peu connues. Les modèles numériques développes a cet effet doivent notamment intégrer une description fine des transformations et des mécanismes mis en jeu dans les matériaux. Cette étude apporte une contribution en enrichissant la base de donnée des réfractaires non-faconnes au travers d'essais thermomécaniques de compression, flexion et de dilatation thermique et d'essais d'analyse thermique (at gravimetrique et at differentielle). Une modélisation est proposée à différentes échelles pour caractériser d'une part la cinétique de déshydratation du béton réfractaire et d'autre part l'évolution des propriétés thermodestructions en fonction de sa composition minéralogique. Un modèle macroscopique simple mais intégrant le changement de phase est identifie et utilise dans un calcul de structure pour prédire la tenue mécanique de la couche de sécurité d'une poche a acier dans la phase de séchage. Les calculs de structure sont valides par les observations in situ de fissuration et de dégradation des revêtements. Ce travail contribue par sa démarche a faciliter le choix des matériaux adaptes au secteur métallurgique.

Les essais de fatigue thermomécanique, sous amplitudes de déformation totale imposée, ont été effectués sur un acier inoxydable 316L. A l'aide d'un micro-ordinateur, on réalise la superposition des cycles mécaniques et thermiques, hors phase et en phase. La variation de température est contrôlée sur deux intervalles, 250c-500c et 250c-650c, avec la même forme de cycle mécanique. La vitesse de déformation est 0,0001/s et les amplitudes de déformation imposée sont comprises entre 1,0% et 2. 4%. Une simulation de la réponse contrainte-déformation en fatigue thermomécanique au cycle stabilisé a été réalisée à partir de la loi de comportement à écrouissage cinématique à différentes températures et avec les données issues de la fatigue isotherme. Dans cette simulation la fonction de cycle thermique est considérée comme une variable interne. La boucle d'hystéresis calculée par cette méthode s'accorde bien avec celle obtenue experimentalement. D'après l'obtention de la simulation, un modèle d'endommagement associé à la densité d'énergie dissipée équivalente est établi pour prédire la durée de vie du matériau en fatigue thermomécanique. L'endommagement par cycle est apporté au cycle stabilisé et le cumul d'endommagement est considéré linéaire. L'influence de la variation de température est introduite par le biais du facteur d'endommagement de température. La prévision de la durée de vie en fatigue thermomécanique en phase et hors phase sur l'acier 316L avec notre méthode donne des résultats satisfaisants et proches des données expérimentales
Low cycle thermal mechanical fatigue tests were carried out on 316L stainless steel specimens. These tests were automatically controlled by a micro computer which permits to realize the superposition of thermal and mechanical cycles with the waveforms of out-of-phase and in-phase. Two temperature ranges (250° C-500°C and 250°C-650°C) of thermal cycling were controlled with the same waveform as the mechanical cycling. Both types of tests (in-phase and out-of-phase) were conducted at the same strain rate of 0,0001/s. The total strain range were realized from 1,0% to 2,4%. To predict the lifetime of components submitted to thermal mechanical fatigue, first the stress strain response of the material in stabilized cycles was simulated by a non linear kinematic hardening model. An internal variable was introduced into this model in order to describe the thermal cycling effect. With isothermal fatigue data this kinematic hardening model using three parameters depending on temperature and plastic strain range can correctly yields a very good approximation of hysteresis loop for low cycle thermal mechanical fatigue. To describe the influence of the variable tempetature on damage in thermal mechanical fatigue, a temperature damage factor was introduced. To study the fatigue damage process, a typical stabilized hysteresis loop of thermal mechanical cycling is considered to be the combination of great deal of parts, each of them corresponding to a given temperature, and a linear damage model based on the total strain energy density is supposed. This method using the isothermal fatigue data gives satisfactory results for thermal mechanical fatigue life prediction

L'acier X38CrMoV5-47HRC est principalement utilisé dans les outillages de mise en forme à chaud. L'outil devrait comprendre haute résistance à la fatigue ainsi que la dureté élevée de défier les chocs thermiques et mécaniques. Surface de l'outil est principalement ruinés par le processus cyclique et progressive des conditions de température éphémère i. E. Fatigue non-isotherme. Les lois de comportement appropriées sont donc nécessaires pour prédire le comportement du matériau dans des conditions non-isothermes. Cette thèse représente une contribution à prédire le comportement mécanique de X38CrMoV5-47HRC par des simulations numériques en utilisant des modèles de comportement. Évaluation de la robustesse et les limites d'un modèle de type Chaboche thermoelastoviscoplastic est effectuée sous plusieurs conditions d'essai différentes à partir de plusieurs essais uni axiaux (LCF et TMF) et les conditions de charge complexes avec une gamme de température variable transitoires et d'amplitude variable de déformation mécanique. Après la caractérisation du modèle dans ces conditions, ses paramètres ont été ré-identifiés dans le but de mettre à jour le modèle pour travailler dans des conditions de chargement complexes. Sans perdre de vue les limites du modèle, de nouvelles orientations sont également examinées dans le but d'améliorer le modèle en termes de son application dans des conditions sévères
Hot work tool steel X38CrMoV5-47HRC is mainly used in industrial manufacturing processes such as high pressure die casting, hot Forging, stamping and rolling etc. The tools should comprise high fatigue strength as well as high toughness to defy thermal and mechanical shocks. The tool's Surface is principally ruined by the cyclic and progressive process under ephemeral temperature i. E. The process of non-isothermal fatigue. The appropriate constitutive laws are therefore required to predict the behaviour of material under non-isothermal conditions. This thesis depicts a contribution to predict the mechanical behaviour of X38CrMoV5-47HRC by numerical simulations using constitutive behaviour models. Assessment of the robustness and limitations of a Chaboche type thermoelastoviscoplastic model is carried out under several different test conditions starting from several uniaxial tests (LCF and TMF) to complex loading conditions with variable transient temperature range and variable amplitude of mechanical strain. After characterization of the model under the said conditions, its parameters have been re-identified in order to update the model to work under complex loading conditions. Keeping in view the model's limitations, further directions are also discussed in order to improve the model in terms of its application under severe loading conditions

Les aciers austénitiques FeMnC à haute teneur en manganèse ont une faible énergie de défaut d'empilement (EDE). Ils se déforment donc par glissement, mais aussi par maclage ou par transformation martensitique [Epsilon]. Le modèle thermochimique développé, incluant la transition magnétique de Néel, détermine l'EDE et les mécanismes de déformation activés en fonction de la température et de la composition. Les essais de traction réalisés sur des nuances Fe22MnO,6C et 1,OC de 77 K à 673 K montrent que l'allongement homogène est contrôlé par le taux d'écrouissage, en accord avec le critère de Considère. Le meilleur compromis allongement / résistance est obtenu à 298 K quand le maclage est activé (effet TWIP). A haute température, l'écrouissage latent seul conduit à un allongement et une résistance mécanique faibles. A basse température, la transition martensitique [epsilon] se substitue au maclage, le glissement est thermiquement activé et la résistance mécanique est maximale. A 298 K, l'étude MET montre que le maclage se produit sous forme de faisceaux de micromacles qui sont des obstacles forts au glissement. Leur épaisseur a été déterminée par simulation 2D à l'échelle des dislocations. A l'échelle des grains, deux systèmes de maclage sécants sont activés séquentiellement. Seule l'activation du second système vers 15 % de déformation contribue efficacement à l'écrouissage en réduisant le libre parcours moyen des dislocations mobiles. Un modèle de plasticité polycristalline à loi de transition d'échelle simple est proposé. Le comportement viscoplastique de chaque grain est calculé à partir des densités de dislocations stockées sur chaque système de glissement. L'activation de deux systèmes de maclage est contrôlée par une loi de Schmid et induit une réduction du libre parcours moyen des systèmes de glissement sécants. Le modèle reproduit avec une très bonne corrélation le lien entre la microstructure de maclage et les propriétés mécaniques
The high manganese austenitic steels have a low stacking fault energy (SFE). Their plastic deformation is achieved by slip, but also by twinning or by [epsilon] martensitic transformation. Our thermochemical modeling including the Néel magnetic transition determines the value of the SFE and the deformation mechanisms activated as a function of the temperature and the composition. Tensile tests performed on Fe22MnO. 6C and 1. OC grades between 77 K and 673 K show that the homogeneous elongation is controlled by the work hardening rate through Considère's criterion. The best compromise between elongation and tensile strength is obtained at 298 K when twinning is activated (TWIP effect). At high temperature, the mere latent hardening leads to a low elongation and tensile strength. At low temperature, twinning is replaced by the [epsilon] martensitic transformation, gliding is thermally activated and the tensile strength is maximal. At 298 K, the TEM study reveals that twinning occurs by formation of microtwins gathered into stacks which are strong obstacles for dislocation gliding. Their thickness is determined by a 2D simulation at the scale of the dislocations. At the scale of the grains, two secant twinning systems are sequentially activated along with strain. Only the second twinning system, which appears at about 15 % strain, contributes efficiently to work hardening by reducing the mean free path of mobile dislocations. A crystal plasticity framework which is based on simple scale transition laws bas been developed. The viscoplastic behavior of each grain depends on the dislocation densities stored on each slip system. The activation of two twinning systems is triggered by a Schmid law and leads to a rapid decrease of the mean free path for the secant slip systems. The model well reproduces the link between the twinning microstructure and the mechanical properties

La finalité industrielle de ce travail mené sur des aciers de type Hadfield est l'amélioration de la tenue en service des cœurs de voie. Le mémoire comprend quatre parties. La première partie concerne la compréhension de la problématique rencontrée actuellement sur les cœurs de voie en service. La deuxième partie fait le point des connaissances sur les nuances d'acier dans la même gamme que la nuance actuelle (GX120Mn13). On a sélectionné cinq nuances et ces nuances ont fait l'objet d'une étude mécanique et tribologique dans les troisième et quatrième parties. Un montage sur un tribomètre rotatif a été conçu pour réaliser des essais de fatigue de contact en roulement. Un banc d'essai de chocs-glissement a été conçu et mis au point pour imposer aux matériaux des sollicitations proches de celles exercées en service. Au niveau essai mécanique, le comportement en traction et en compression à des vitesses allant jusqu'à 10 s-1 a été étudié. Ces essais ont montré la capacité d'écrouissage extraordinaire de ces aciers austénitiques. Les essais tribologiques de roulement et de chocs glissement ont permis de déterminer les nuances qui présentent la meilleure résistance à l'usure.

Les aciers martensitiques revenus à 9%Cr sont actuellement employés dans les centrales thermiques conventionnelles et en pétrochimie. En raison d'une combinaison de propriétés et d'un coût de fabrication attractifs, ils sont également envisagés comme matériaux constitutifs de différents composants des réacteurs nucléaires du futur. Pour optimiser leurs propriétés mécaniques à haute température (~500-650°C), on envisage notamment d'appliquer un traitement thermomécanique de type « austéniformage » constitué d'une austénitisation, d'un laminage en phase austénitique métastable à 500-600°C, d'une trempe et d'un revenu. Ce travail de thèse vise à comprendre les influences respectives de chaque étape du traitement thermomécanique, notamment celle du laminage à tiède, sur la microstructure et les propriétés mécaniques résultantes.Pour différentes conditions de traitement, avec et sans laminage à tiède, les microstructures ont été systématiquement caractérisées à différentes échelles (MEB, MET, diffraction et diffusion centrale des neutrons). La martensite des états laminés à tiède présente des lattes plus fines et une densité de dislocations plus élevée par rapport aux états non laminés. Elle peut, dans certains cas, être partiellement recristallisée après revenu, signe d'un certain « héritage » de la déformation appliquée en phase austénitique métastable. Contrairement à ce qui pouvait être attendu, le laminage à tiède n'affecte pas significativement la précipitation, qui s'avère être gouvernée au premier ordre par les températures d'austénitisation et de revenu.Le laminage à tiède augmente significativement la résistance en traction et en fluage mais dégrade la ductilité. La température de transition ductile/fragile est fortement augmentée. Certains états laminés à tiède présentent une sensibilité à l'endommagement intergranulaire aussi bien à basse température (en résilience) qu'à haute température (en fluage). D'autre part, le laminage à tiède n'améliore pas, voire accentue l'adoucissement cyclique en fatigue-fluage. L'ensemble des caractéristiques microstructurales ont été quantitativement reliées aux propriétés mécaniques à 20°C par l'application d'un modèle de durcissement structural. La transposition de ce modèle permet également de prédire raisonnablement la limite d'élasticité et la résistance mécanique à 550°C et à 650°C
9%Cr tempered martensitic steels are currently used in fossil power and in petrochemical plants. Due to attractive properties and manufacturing costs, there are also potential candidates for structural components of new generation nuclear reactors. To optimize their high temperatures mechanical properties (~500-650°C), a thermal-mechanical treatment based on “ausforming” is being considered. It is composed of an austenitization step, followed by warm-rolling of metastable austenite at intermediate temperatures (500-600°C), then quenching and tempering. This study aims at understanding the effects of each of these steps, and particularly the warm-rolling of the metastable austenite, on the resulting microstructure and mechanical properties.After applying a variety of thermal-mechanical treatment conditions, with or without warm rolling, the microstructures were systematically characterized at various scales by SEM, TEM, SANS, and neutron diffraction. Martensite laths are finer and dislocations density is higher in warm-rolled samples compared to thermally treated samples. In some cases, warm-rolled + tempered microstructures were partially recrystallized, showing that tempered martensite keeps a “memory” of previous rolling of metastable austenite. Contrary to what was expected, warm-rolling did not affect precipitation, which is principally governed by austenitizing and tempering temperatures.Warm-rolling lead to a remarkable increase in tensile and creep strength but strongly impairs ductility and significantly increases the ductile-to-brittle transition temperature. Some of the warm-rolled materials are sensitive to intergranular failure at both low (Charpy impact tests) and high temperature (creep tests). Moreover, warm-rolling of metastable austenite does not improve, and even increases cyclic softening. All microstructural features have been quantitatively linked to mechanical properties at 20°C, by applying a structural hardening model that could be reasonably transposed to predict yield and tensile strength at higher temperatures (i.e., 550°C and 650°C)

Faurecia emploie des aciers inoxydables ferritiques pour réaliser des collecteurs d’échappement tubulaires mécano-soudés. Cette étude intervient dans le cadre de l’optimisation de la conception de ces produits et constitue une contribution à la prédiction de la durée de vie de pièces tubulaires en acier 1. 4509, soudées ou non, sous chargement de fatigue thermomécanique. Ce travail s’articule en trois axes complémentaires : la modélisation du comportement cyclique des pièces tubulaires soudées ou non, la modélisation de leur endommagement et de leur tenue en fatigue, le développement d’une méthodologie numérique permettant le calcul de la tenue en fatigue de collecteurs dans un temps compatible avec un usage en bureau d’études. Les comportements cycliques du métal de base (acier 1. 4509) et du métal fondu sont ainsi caractérisés pour différentes conditions de sollicitations thermomécaniques puis modélisés à l’aide d’un modèle de comportement élastoviscoplastique dans le logiciel Abaqus. Le comportement spécifique de la zone affectée thermiquement est également étudié. La modélisation proposée pour rendre compte du comportement mécanique des jonctions soudées est validée via un essai de traction-compression avec mesure locale des déformations par stéréo corrélation d’images. L’étude de la durée de vie de l’acier 1. 4509 est ensuite abordée. Une gamme importante d’essais de durée de vie est ainsi constituée. Les coefficients d’un modèle d’endommagement continu, développé par J. Lemaitre, sont identifiés et validés. La même gamme d’essais est appliquée à des éprouvettes soudées. Il est choisi de recourir à une approche découplée du comportement et de l’endommagement pour prédire la durée de vie de ces éprouvettes. Cette approche repose sur l’hypothèse que la tenue en fatigue de la jonction soudée est conditionnée par la répartition des déformations au cycle stabilisé et peut être calculée par post-traitement. Cette méthode permet de prédire dans une bande de dispersion de facteur 3 maximum, la majorité des essais. Finalement, la dernière phase de ce travail est consacrée à la mise en oeuvre des modèles identifiés pour prédire la tenue en fatigue de pièces soudées industrielles. Une méthodologie dite de "sous-modèle" est mise en place afin de prédire avec précision la réponse mécanique des zones soudées au cycle stabilisé. La durée de vie de ces zones est alors estimée par post-traitement de ce cycle. Cette méthode est appliquée avec succès pour prédire la durée de vie, sous chargement thermomécanique, de deux pièces soudées, dont un collecteur
Faurecia uses stainless ferritic steels to produce car manifolds, which are made of several tubular parts welded together. In order to reduce design costs, Faurecia needs to developp a robust numerical design tool. In the frame of this project, this thesis is a contribution to fatigue life assessment of 1. 4509 stainless steel tubular parts, welded or not, submitted to cyclic thermomechanical loadings. In a first part, the cyclic mechanical behaviors of the base metal (1. 4509 steel) and the melted metal are experementally studied under various loads. They are then described thanks to an elastoviscoplastic model. The specific mechanical behavior of the heat affected zone is also considered. The ability of the proposed models to describe the mechanical response of a welded zone is assessed thanks to a traction compression test including local strain measurements. In a second part, fatigue life of 1. 4509 steel is adressed. A large experimental dabase is built up. A non isothermal continuum damage model (J. Lemaitre model) is identified. The same test conditions are applied to welded specimens. Then, the resuts of those tests are analysed thanks to an uncoupled approach of mechanical behavior and damage. It is so considered that the strain distribution at the stabilized cycle, governs the fatigue life of the welded specimen. Thanks to this method, most the tests are well predicted (within a scattering band of factor 3 maximum). Finally, last part of this thesis concerns the integration of the identified models in a robust numerical tool in order to predict fatigue life of industrial welded parts. A submodel methodology is used in order to precisely predict the stabilized mechanical behavior of welded zone. This technique is successfully applied to predict the fatigue life of two welded parts, included a car manifold

Un modèle de loi de comportement élastoviscoplastique à température variable à été développé pour la prévision du comportement d'un acier utilisé dans la fabrication des disques de frein pour matériel ferroviaire sous chargements thermomécaniques variables. Ce modèle tridimensionnel permet la description de plusieurs phénomènes tels que la thermoélasticité, l'ecrouissage isotrope, l'ecrouissage cinématique non linéaire, le fluage, la relaxation, les effets de vitesse de charge, et l'effet de mémoire de la déformation plastique rarement pris en compte. L'identification de ce modèle a été effectuée grace à une première campagne expérimentale basée sur des essais de fatigue uniaxiaux isothermes entre 20 et 600°C. Le logiciel AGICE (developpé à l'ONERA) a été utilisé pour cette identification. Des analyses metallurgiques ont été effectuées, d'une part sur les éprouvettes d'essais cylindriques et d'autre part sur un morceau d'un disque usagé, Dans le but d'une part d'une meilleure compréhension du comportement de ce matériau sous chargement isotherme, et d'autre part de mettre en évidence les phénomènes mis en jeu lors du freinage. Ces phénomènes physiques intervenant lors du freinage (recristallisation secondaire,) doivent être pris en compte ultérieurement lors de l'extention du modèle pour des températures supérieures à 600°C. Une deuxième campagne d'essais uniaxiaux de traction-compression à température variable a été réalisée dans le but d'accéder à une connaissance approfondie du comportement mécanique anisotherme et de vérifier la précision de la formulation proposée. Une simulation par éléments finis utilisant le logiciel CASTEM 2000 a permis de vérifier que les résultats numériques obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux isothermes et anisothermes

Le comportement thermomécanique des matériaux a parfois été utilisé pour déterminer des propriétés en fatigue ou d’autres caractéristiques mécaniques des matériaux. Cependant, ces méthodes empiriques manquent de justification physique. Ce travail de thèse a donc eu pour objectif d’apporter des réponses aux questions : quels phénomènes physiques sont-ils à l’origine des échauffements des matériaux ? Quelles informations peut-on obtenir par l’intermédiaire de mesures thermiques ? Après avoir développé et caractérisé une méthode de mesure très précise de l’énergie dissipée (moyenne ou champs d’énergie dissipée) et du travail plastique par cycle (sollicitations en traction-traction), l’analyse des caractéristiques thermomécaniques de quatre matériaux (un aluminium, un acier ferritique, un acier inoxydable et un acier dual phase) a été effectuée. De nombreuses données expérimentales ont ainsi pu être générées, données permettant d’étudier le comportement de ces matériaux en cours d’écrouissage (dans l’optique d’établir un bilan énergétique cycle par cycle) ou les caractéristiques de l’énergie dissipée de ces matériaux. Généralement, la dissipation d’énergie s’est montrée insensible à la vitesse de déformation, augmente avec la contrainte maximale appliquée, augmente lorsque les matériaux sont écrouis, peut dépendre des temps de re-pos, etc. Ces résultats expérimentaux pourraient servir dans le cadre de la modélisation du comportement des matériaux
Thermomechanical measurements are some-times performed to estimate fatigue limits and other mechanical properties of materials. How-ever, these empirical methods lack physical justification. What are the physical phenomena causing materials self-heating? What information can be obtained through thermal measurements? The aim of this work is to provide answers to theses questions. A precise dissipative energy measurement method (fields or spatially averaged dissipative energy) has been developed. A method to measure the plastic work per cycle (loading in tension-tension) has also been proposed. The thermomechanical characteristics of four materials (aluminum, ferritic steel, stainless steel and dual-phase steel) have then been studied. Much experimental data have been generated during this work, studying the energy behaviour of these materials during strain-hardening process (the aim was to establish an energy balance cycle by cycle) or simply studying the main characteristics of these materials dissipative energy in viscoelastic behaviour. Thus, the dissipative energy was usually proved insensitive to the strain rate, increased with the applied maximum stress, increased with plastic strain, was aging depend, etc. Theses experimental data could be used to feed mathematical models

L'objet de la thèse porte sur la prévision de la ruine (déchirement) d'un réacteur à eau pressurisée sous chargement accidentel thermomécanique. Des essais réels étant inenvisageables, la méthode utilisée consiste à reproduire ce type de chargement sur maquette instrumentée et de comparer les résultats obtenus sur deux grades d'acier de cuve (16MND5) à des simulations numériques. Une part très importante de ce travail a été la conception et la mise au point de ce dispositif expérimental. La maquette est un tube en traction et pression interne dont l'état de contrainte et le volume de gaz disponible sont comparables au cas réel. Le tube est de plus chauffé à 900 ou 1000°C ce qui correspond au cas accidentel. Aux habituelles mesures de température, effort, déplacement et pression, on filme également le tube par deux caméras numériques rapides et une infrarouge. On extrait de ces essais les conditions d'initiation et de propagation de fissure ainsi que la loi de dépressurisation. A ces températures, le fluage induit de très grandes déformations avant l'apparition des fissures qui peuvent dans le pire des cas se propager à des vitesses de plusieurs mètres par seconde. Les simulations numériques sont conduites en utilisant les éléments finis, l'initiation et la propagation de la fissure est modélisée par une zone cohésive dont le trajet est connu à l'avance. Une formulation 3D d'élément cohésif a été développée et implémentée dans le code de calcul ABAQUS6. 6-1. Ces éléments cohésifs supportent les très grands déplacements et supposent une loi de traction-séparation durcissante, seule capable de reproduire les essais réels. L'identification a été faite sur des essais sur éprouvette CT réalisés au CEA. Enfin, la base de données de caractérisation en traction de l'acier 16MND5 a été complétée pour des températures voisines de 900-1000°C et des vitesses de déformation vraie supérieures à 0. 1s-1. Ces vitesses de déformation sont représentatives des vitesses de déformations locales lors du fluage tertiaire de la cuve

Les travaux de thèse ont permis de consolider et de compléter les connaissances sur les mécanismes de déformation et les évolutions microstructurales à chaud d’un acier inoxydable austénitique 316Nb. Comprendre la variation du comportement microstructural observée sur différentes pièces obtenues par forge libre permettra de pérenniser les connaissances et d’optimiser les gammes de forgeage. Du fait d’une variabilité de l’état de recristallisation, mise en évidence sur des pièces d’essai, et de son impact sur les propriétés mécaniques, des traitements thermomécaniques simplifiés sont réalisés en laboratoire afin de comprendre la genèse de ces différents états métallurgiques. L’influence de la température, du taux et de la vitesse de déformation ainsi que de la vitesse de refroidissement après l’essai (distinction entre les mécanismes dynamiques et post-dynamiques) est tout d’abord étudiée. De multiples passes de déformation, dans des conditions isothermes et anisothermes, sont ensuite appliquées afin de suivre les évolutions post-dynamiques de la microstructure entre les passes. Le rôle du traitement thermique post-déformation sur la microstructure (recristallisation statique) est étudié. Enfin, l’effet de la microstructure initiale, en termes de taille de grains et de composition chimique, notamment la teneur en niobium en solution solide, a été considéré.La recristallisation dynamique ne domine pas l’évolution de la microstructure, de par notamment une restauration dynamique avancée et une taille de grains élevée. Néanmoins, aux hautes températures et pour de faibles taux de déformation, une migration dynamique des joints de grains conduit à la formation progressive de nouveaux grains recristallisés. La recristallisation post-dynamique est très dépendante des conditions de déformation. A composition chimique donnée, la taille de grains (dans la gamme 60 – 250 µm) affecte peu la cinétique de recristallisation dynamique et post-dynamique. L’augmentation de la teneur en niobium de la solution solide entraîne, via sans doute un effet de traînage de soluté et une éventuelle modification de l’énergie de défaut d’empilement à haute température, un retard considérable de l’apparition de la recristallisation. Au cours du traitement thermique post-déformation, l’état de recristallisation final est essentiellement dépendant de la composition chimique (teneur en niobium de la solution solide et présence de ferrite δ résiduelle). Les précipités de niobium générés dans les conditions de déformation usuelles n’ont pas d’influence directe sur la cinétique de recristallisation
Mechanical properties and microstructure of 316Nb austenitic stainless steel may show some variability in hot forging products. This work aimed at improving knowledge about hot deformation mechanisms and microstructural evolution of this steel. Obtaining a homogeneous microstructure requires deep understanding of the hot deformation behaviour and mechanisms. In thick-walled components, both work hardening, dynamic recovery and recrystallization govern hot workability. Static and post-dynamic phenomena can induce further metallurgical evolution during interpass time and cooling. The influence of deformation temperature, strain, strain rate, cooling rate on recrystallization mechanisms has been studied by using hot torsion tests. Multiple-pass tests with isothermal and non-isothermal interpass allowed understanding post-dynamic mechanisms. Static phenomena were investigated using various annealing conditions. The effects of initial microstructural features such as grain size and chemical composition, specifically niobium solute content, on the hot deformation behaviour were eventually considered.The extent of dynamic recovery, coarse initial grain size, solute drag, and pinning of grain boundaries by fine Nb(C,N) particles strongly hinder dynamic recrystallization which does not dominate the metallurgical evolution over the range studied, in contrast to results reported on 316 steel. However, bulging of grain boundaries as a prelude to dynamic recrystallization was observed at low strains and high temperature. Grain boundary serrations progressively lead to the formation of subgrain boundaries, then of new high angle boundaries. A particular dynamic recrystallization mechanism explains progressive elimination of annealing twins. Interaction with dislocations depends on locally activated slip systems and whether they are common to both twin and parent grain. At moderate strain levels, post-dynamic recrystallization occurs by rapid growth of nuclei that depends on deformation temperature, and applied strain and strain rate. For a given chemical composition, neither dynamic nor post-dynamic recrystallization is affected by the initial grain size over the range studied. Increasing the free niobium content promotes solute drag and niobium carbide precipitation, which significantly delay recrystallization. The microstructure after annealing essentially depends on the availability of solute atoms such as niobium and on residual δ-ferrite. Nb(C,N) precipitates formed during hot deformation do not significantly influence recrystallization kinetics

La mixité acier-bois présente un fort potentiel de développement : les composants en bois et en acier peuvent se renforcer mutuellement ; le bois, par son caractère isolant, peut être utilisé pour protéger l'acier du feu ; l'acier apporte son caractère incombustible. Cette forme de mixité est pourtant peu répandue malgré le récent essor du bois dans la construction de bâtiments multiétagés, à cause du manque de références scientifiques et techniques sur le sujet. On propose alors d'étudier des poutres mixtes pour lesquelles l'acier et le bois sont associés de manière à obtenir des performances les meilleures possibles, en situations normale et d'incendie. On décrit d'abord le comportement des matériaux acier et bois, à froid et en situation d'incendie. Une description de la combustion du bois est proposée pour mieux comprendre ce qui sous-tend l'évolution de ses propriétés avec la température. Un intérêt particulier est porté sur les transferts hydriques qui se produisent dans le bois lorsqu'il brûle. On examine ensuite la question de la mixité acier-bois à travers un aperçu global. Puis on passe en revue les travaux portant sur un certain type de configuration, qui consiste à insérer des poutres en bois entre les semelles d'un profilé en I laminé à chaud, tout en faisant en sorte que ce profilé soit protégé du feu par le bois. La description du comportement élastique à froid des poutres étudiées est réalisée par l'utilisation de la méthode gamma. La réalisation d'essais de flexion sur des poutres mixtes et leurs constituants permet de confirmer ce modèle analytique, mais un effet composite non-anticipé est observé dès lors que l'acier commence à se plastifier. Un gain de résistance significatif est alors permis par l'association du bois et de l'acier. On parvient à simuler ce comportement en augmentant la limite d'élasticité de l'acier modélisé par rapport à la valeur mesurée, ainsi que la résistance du bois en traction longitudinale. Des essais thermiques sur des éprouvettes acier-bois non chargées sont ensuite réalisés. On confirme à cette occasion que la mesure correcte des températures dans le bois nécessite d'orienter les thermocouples parallèlement aux isothermes. De nombreuses configurations sont comparées, ce qui permet d'appréhender finement l'efficacité de la protection au feu des profilés métalliques apportée par le bois. Les transferts de masse qui se produisent dans le bois se révèlent avoir un effet sensible sur la température des profilés métalliques protégés. La comparaison des températures mesurées et simulées permet de mettre en évidence l'importance de l'étanchéité des joints d'assemblage pendant l'exposition au feu. La combustion du bois et la température de l'acier sont observées après la fin de l'exposition au feu, on oppose alors le comportement des configurations creuses à celui des configurations pleines. Finalement, des essais au feu sur des poutres chargées mécaniquement montrent qu'un profilé protégé par une épaisseur de bois de 45 mm peut résister au feu pendant 81 min. On met en évidence un effet du chargement sur la température du profilé métallique par l'intermédiaire d'une ouverture des joints d'assemblage. La simulation numérique montre que le bois contribue à la résistance au feu de la poutre mixte non seulement en protégeant thermiquement l'acier, mais également en reprenant une partie des charges. Ces travaux montrent l'efficacité des poutres mixtes acier-bois, en situation normale et sous incendie, et contribuent à la compréhension de leur comportement. Ils permettent de formuler des propositions d'amélioration et d'identifier de nouvelles problématiques ouvrant des perspectives pour l'étude et l'utilisation de ces poutres mixtes
Timber-steel hybridization has great potential, because steel and timber component can reinforce each other, timber can be used to protect steel from fire, and the non-combustibility of steel can be used in an advantageous way. However, this form of hybridization is not widespread despite recent developments in the use of timber for multi-story buildings. Therefore, it is proposed to study composite beams made from timber and steel combined in such a way that the best possible performances are achieved, in normal and fire situations. Firstly, behavior of steel and timber is described in normal and fire situations. A description of wood combustion is proposed to better understand what underlies the temperature dependence of its properties. A focus is made on the mass transfer that occur into timber as it burns. Then, the timber-steel hybridization is addressed through an overview. Afterward, a literature review is made on a specific configuration type, which is assembled by inserting timber beams between the flanges of a hot-rolled “I” profile, while ensuring that this profile is protected from fire by timber. The description of the elastic behavior of studied beams in normal situation is achieved using the gamma method. Bending tests on hybrid beams and their components corroborate this analytical model, but an unexpected composite behavior is observed when steel yielding begins. Thus, a significant strength gain results from the combination of timber and steel. We manage to simulate this behavior by increasing the yield point of the modeled steel compared to the measured value, as well as the tensile strength of timber. Then, fire tests on unloaded specimens are performed. On this occasion, we confirm that correct temperature measurements into timber require orienting thermocouples parallel to isotherms. Many configurations are compared, which allows to understand in detail the effectiveness of the fire protection provided by wood to steel profiles. Mass transfers that occur into timber appear to have a significant effect on temperatures measured on protected steel profiles. The comparison of measured and simulated temperatures allows to highlight the importance of tightness of assembly joints during exposure to fire. Wood combustion and steel temperatures are observed after the end of the fire exposure, and the behavior of hollow configurations is contrasted with that of the timber filled configurations. Finally, fire tests on mechanically loaded beams show that a steel profile protected using 45 mm thick timber components can resist fire for 81 min. Thus, R60 is exceeded with relatively thin protection. Results show that the loading has an impact on steel temperatures, because of an opening of the assembly joints. Numerical simulations show that timber gives fire resistance of the composite beam both thermally and mechanically, by protecting the steel profile, but also by relieving its load. This work shows the effectiveness of steel-timber composite beams, in normal and fire situations, and contributes to the understanding of their behavior. However, proposals for improvement and new challenges are formulated, opening prospects for the study and use of these composite beams

Nous avons proposé une modélisation thermomécanique de la coulée continue d'acier en trois dimensions. Notre approche permet d'obtenir la solution thermomécanique stationnaire du procédé, sur toute la machine. Il est alors possible de déduire l'histoire thermique et mécanique du produit en visualisant les cartes de contraintes ou de température. Un des résultats attendus de notre étude concerne les déflections entre les rouleaux qui traduisent le gonflement, à l'origine des ségrégations. Nous avons basé notre étude sur la stratégie globale instationnaire, en adoptant une approche purement lagrangienne. Nous simulons l'apport continuel de matière, grâce à l'introduction d'un outil d'injection situé sur la face supérieure du domaine. La face inférieure du domaine admet la cinématique de l'outil de guidage du procédé. Ainsi, le maillage augmente constamment selon un chemin délimité par les rouleaux. L'évolution du maillage -création de nouveaux noeuds- est gérée de manière locale par une technique de recollement de maillages. D'un point de vue modélisation, nous résolvons les équations instationnaires de conservation de l'énergie, de la matière et de la quantité de mouvement. Le problème mécanique est abordé selon une approche de type milieu monophasé équivalent; nous négligeons les phénomènes de convection naturelle et de macroségrégation, mais les phénomènes de dilatation thermique et de retrait à la solidification sont pris en compte. La zone solide est supposée obéir à un comportement élasto-viscoplastique, dont la rhéologie est donnée par les lois de la littérature. Les zones pâteuse et liquide sont supposées obéir respectivement à un comportement viscoplastique et newtonien. Nous avons validé, avec succès, notre approche sur plusieurs cas et nous l'avons appliqué à deux machine de coulée industrielles.

Le projet de la thèse a consisté au développement et à l’évaluation des performances d’une mousse syntactique phénolique pour la réalisation d’un système sandwich multicouche (cœur/peau en matériau composite). Il permet d’assurer la protection thermique, mécanique et au feu en particulier contre l’impact d’un feu torche. Un feu torche peut survenir sur un site pétrochimique suite à l’inflammation d’une fuite de fluides inflammables sous pression pouvant être très dévastateur par son effet abrasif et le flux convectif et radiatif intense. Le travail s’est essentiellement axé sur l’étude de l’efficacité de la mousse syntactique phénolique à partir d’une analyse de la relation microstructure-propriété. Les exigences de mise en œuvre ont imposé une maîtrise de la formulation par une bonne compréhension de la réactivité de la résine, notamment par rapport aux différentes transformations physiques (gélification, vitrification) qui ont lieu pendant le processus de réticulation. Il s’agit alors d’optimiser le dosage des différents composés actifs et additifs vis-à-vis des contraintes de mise en œuvre afin de parvenir à des propriétés optimales du matériau final. L’efficacité de ce dernier dans les conditions normales d’utilisation a été déterminée par une phase d’expérimentation complète sur ses propriétés mécaniques, thermiques et thermomécaniques. Des tests au feu ont permis d’étudier son comportement au feu afin de vérifier ses propriétés protectrices sous l’impact d’une flamme issue d’un feu torche. Enfin, un essai instrumenté capable de reproduire en condition réelle une fuite de gaz de propane à haute pression a été mis au point pour évaluer la performance au feu torche d’un prototype industriel complet. En parallèle, un modèle numérique simplifié a été proposé afin de simuler l’impact d’un tel feu
This work consisted in the development and the evaluation of a phenolic syntactic foam performance for the production of a multilayer sandwich system (core/skin in composite material). It ensures thermal, mechanical and fire protection, in particular against the impact of a jet fire. A jet fire can occur on a petrochemical site resulting from the combustion of a fuel continuously released under pressure. It can be very devastating for its abrasive effect and intense convective and radiative flux. The work focuses mainly on the study of the effectiveness of the phenolic syntactic foam through the analysis of the relationship microstructure-propriety. The manufacturing process requirements imposed to control the elaboration via a good understanding of the reactivity of the resin, especially in relation to various physical transformations (gelation, vitrification) that take place during the curing mechanisms. That involves optimizing the proportions of the various active compounds and additives depending on the working conditions in order to achieve optimal properties of the final material. The effectiveness of this final material under normal conditions of use was determined by a complete testing phase on its mechanical, thermal and thermomechanical properties. Fire tests were also conducted to investigate the material burning behavior to ensure its protective properties under a jet flame impact. Finally, a large-scale instrumented test, reproducing in real conditions a propane gas leak at high pressure, was developed to evaluate the resistance to a jet fire of a complete industrial prototype. In parallel, a simplified numerical model was also proposed to simulate the impact of such a fire

Nous avons proposé une modélisation thermomécanique de la coulée continue d'acier en trois dimensions. Notre approche permet d'obtenir la solution thermomécanique stationnaire du procédé, sur toute la machine. Il est alors possible de déduire l'histoire thermique et mécanique du produit en visualisant les cartes de contraintes ou de température. Un des résultats attendus de notre étude concerne les déflections entre les rouleaux qui traduisent le gonflement, à l'origine des ségrégations. Nous avons basé notre étude sur la stratégie globale instationnaire, en adoptant une approche purement lagrangienne. Nous simulons l'apport continuel de matière, grâce à l'introduction d'un outil d'injection situé sur la face supérieure du domaine. La face inférieure du domaine admet la cinématique de l'outil de guidage du procédé. Ainsi, le maillage augmente constamment selon un chemin délimité par les rouleaux. L'évolution du maillage -création de nouveaux noeuds- est gérée de manière locale par une technique de recollement de maillages. D'un point de vue modélisation, nous résolvons les équations instationnaires de conservation de l'énergie, de la matière et de la quantité de mouvement. Le problème mécanique est abordé selon une approche de type milieu monophasé équivalent; nous négligeons les phénomènes de convection naturelle et de macroségrégation, mais les phénomènes de dilatation thermique et de retrait à la solidification sont pris en compte. La zone solide est supposée obéir à un comportement élasto-viscoplastique, dont la rhéologie est donnée par les lois de la littérature. Les zones pâteuse et liquide sont supposées obéir respectivement à un comportement viscoplastique et newtonien. Nous avons validé, avec succès, notre approche sur plusieurs cas et nous l'avons appliqué à deux machine de coulée industrielles.

Cette étude est une contribution à la compréhension des mécanismes de déformation plastique à chaud des aciers bas carbone. Le comportement du matériau est modélisé par une loi de comportement viscoplastique déduite d'essais de torsion rapides. Nous avons développé un nouveau système qui permet l'acquisition instantanée des paramètres expérimentaux, et nous avons mis au point une méthodologie plus adaptée à l'analyse du dépouillement de l'essai. Dans notre étude, pour laquelle les vitesses de déformation sont comprises entre 0. 1 et 10 S-¹, nous avons montré l'influence de la cinématique de chargement et de l'auto-échauffement de déformation sur l'évolution de la contrainte. Enfin, nous avons développé un programme de simulation numérique de l'essai de torsion qui permet d'expliquer les effets du couplage thermique et mécanique sur l'évolution de la contrainte de déformation. Nous montrons en particulier comment l'évolution locale de la température (gradient thermique radial) conduit à l'allure caractéristique des courbes brutes de torsion

Lors d’un recuit inter-critique d’un acier dit « Medium Manganèse », dont la teneur en Mn est située entre 4 et 12 %, avec une microstructure initiale complètement martensitique, la formation de l’austénite obéit à un mécanisme spécifique qui porte le nom d'ART - « Austenite Reverted Transformation » (transformation inverse de l’austénite). L’objectif de ce travail de thèse était d’étudier et de modéliser les évolutions microstructurales en lien avec les propriétés mécaniques lors d’un recuit ART. Il a été déterminé que la microstructure finale se compose de phases de nature (ferrite, austénite résiduelle et martensite de trempe) et morphologie (en forme d’aiguille et polygonale) différentes. Une attention particulière a été accordée aux cinétiques de dissolution des carbures et de formation de l’austénite. Une vision complète de ces processus a été construite. En outre, le mécanisme de stabilisation de l’austénite résiduelle à la température ambiante a été étudié et discuté. Enfin, des essais de traction ont été réalisés afin d’évaluer le comportement mécanique de l’acier après différents recuits ART et établir le lien avec la microstructure. Une analyse plus détaillée du comportement de chaque constituant de la microstructure a été effectuée. A l'issue de cette thèse, un modèle complet est disponible pour calculer les courbes de contrainte vraie - déformation vraie d’un acier Medium Mn
During the intercritical annealing of fully martensitic Medium Mn steel, containing from 4 to 12 wt.% Mn, the formation of austenite happens through the so-called “Austenite Reverted Transformation” (ART) mechanism. In this PhD work, the evolution of both microstructure and tensile properties was studied as a function of holding time in the intercritical domain. The microstructure evolution was studied using a double experimental and modeling approach. The final microstructure contained phases of different natures (ferrite (annealed martensite), retained austenite and fresh martensite) and of different morphologies (lath-like and polygonal). A particular attention was paid to the kinetics of austenite formation in connection with cementite dissolution and to the morphology of the phases. A mechanism was proposed to describe the formation of such microstructure. The critical factors controlling thermal austenite stability, including both chemical and size effects, were determined and discussed, based on the analysis of the retained austenite time-evolution. At last, tensile properties of the steel were measured as a function of holding time and the relation between microstructure and mechanical behavior was analyzed. Advanced analysis of the individual behavior of the three major constituents was performed. As a final output of this work, a complete model for predicting the true-stress versus true-strain curves of medium Mn steels was proposed

La rectification est un procédé de fabrication permettant d’obtenir des états de surface avec une rugosité très faible. Elle est généralement utilisée sur des matériaux très durs pour lesquels les autres procédés d’usinage ne sont pas adaptés, cependant, ce procédé fait intervenir des mécanismes d’enlèvement matière complexes et difficiles à mettre en oeuvre. Lors du processus de rectification, l'énergie de rectification est principalement convertie en chaleur entre la pièce, la meule, le liquide d'arrosage et les copeaux. Les températures et les flux de chaleur à l'interface meule/pièce dépendent de la géométrie du contact, du matériau rectifié, de la meule (taille de grains, géométrie, densité, porosité, usure), de son dressage, des paramètres de rectification (profondeurs de passe, vitesse d'avance, vitesse de meule, conditions de dressage), des conditions d'arrosage et de lubrification. Les températures élevées peuvent engendrer des transformations métallurgiques superficielles, des gradients de contraintes résiduelles, ainsi que des variations dimensionnelles notables. D’une façon générale l’intégrité de surface peut être grandement modifiée par cette interaction. Les conditions de rectification doivent garantir les critères de qualité et d'intégrité du matériau tout en répondant aux besoins d’augmentation de la productivité en milieu industriel. L'objectif cette thèse a été l'étude mécanico-thermique de l'interface meule/pièce/lubrifiant, dans le but de réduire le risque d'endommagement lors de la rectification d’une denture d’engrenage en acier nitruré et de qualifier les transformations éventuelles impactant l’intégrité de la pièce qui lui est associé. Pour cela nous avons développé plusieurs axes de recherche. Nous avons proposé et vérifié expérimentalement à partir d’une méthode inverse et de mesures de température par thermocouple rectifiable, un modèle de flux thermique permettant, en utilisant une mesure d’effort de prédire le profil de température à l’interface meule/pièce/lubrifiant. Nous avons effectué un comparatif détaillé de meules dans le but de déterminer celle qui permettra pour un état de surface donné de limiter le risque d’endommagement thermique du matériau rectifié. Pour effectuer cette étude, nous nous sommes intéressés à la profondeur de passe maximale admissible de chaque meule avant brûlure. Ce comparatif a été mené à la fois en laboratoire et en milieu industriel. Nous avons ensuite étudié l’influence des endommagements thermiques provoqués par la rectification en étudiant et en qualifiant la microstructure de l’acier nitruré. L’utilisation de moyens de mesure classiques (dureté, MEB EBSD, DRX) ou inédits et peu utilisés sur les brûlures de rectification (bruit Barkhausen, spectroscopie Raman) nous a permis de définir les modifications du matériau endommagé en termes de contraintes résiduelles, de dureté, de tailles de grain et de création d’oxydes. Enfin, nous avons mené une étude détaillée sur l’influence de la lubrification lors de la rectification de notre acier nitruré. Nous avons pour cela modifié indépendamment les débits et vitesses d’arrosage en sortie de buse et observé les changements que cela engendrait sur le profil température dans la zone de rectification et sur le coefficient de répartition de la pièce
The grinding process is very useful to obtain a very precise surface finish. It is generally used on very hard materials which cannot be machined by other conventional machining processes. However grinding involves very complex material removal mechanisms and most of the time is difficult to set up. During the grinding process, the main grinding energy is converted into heat between chip, lubricant, wheel and workpiece. Temperature and heat flux in the grinding zone depend on the contact geometry, on the material, on the wheel (grit size, geometry, porosity, wear), on the dressing, on the grinding parameters (depth of cut, workpiece speed, wheel speed) and on lubrication conditions. High temperatures result in thermal damage such as metallurgical changes, stress gradients, and changes in workpiece dimensions. In general terms, because of this process, surface integrity may be seriously damaged. Grinding parameters have to guarantee the workpiece quality and have to respond to the productivity improvement in machining and cutting industry. The target of this thesis was the mechanical and thermal study of the grinding zone between workpiece, wheel and lubricant in order to reduce the burn risk during the grinding of a nitrided steel gear. The purpose was also to define possible transformations associated to this damage. To achieve it, we developed several research topics. We proposed an experimentally verified heat flux model, usable to predict accurately the nitrided steel temperature in the lubricated grinding zone. This model is based on an inverse method and temperature measurements with a workpiece/foil thermocouple. We made a grinding wheel comparative study in order to determine the wheel capable, for a given workpiece roughness, of limiting the risk of burn. To perform this study, we focused, for each wheel, on the maximum allowable depth of cut before burning. This comparative study was led both in laboratory and industrial conditions. We also studied the influence of thermal damages in grinding by studying and qualifying the nitrided steel microstructure. The use of classical measurement techniques such as: hardness, SEM, EBSD and DRX or original and underused techniques such as Barkhausen noise or Raman spectroscopy permitted to define changes in the burned grinded materials. Between the two states of materials (burned and no burned), we observed differences in hardness, grain size and ferrous oxides creation. At last, we made a detailed study on the lubrication efficiency during grinding of the nitrided steel. For this purpose we changed independently fluid flow and jet speed in outlet nozzle. Then we observed the modifications this could cause on the temperature distribution in the grinding zone and on the workpiece heat partition ratio

La compréhension et la modélisation des mécanismes de localisation observés lors de processus d'emboutissage représentent un enjeu industriel important. L'objectif de ce travail est d'étudier, par une approche expérimentale basée sur l'analyse des sources de chaleur, les manifestations de localisation pouvant se produire, sur des aciers, lors d'essais quasi-statiques de traction monotone.
A partir d'un traitement d'images thermiques infrarouge (effets) et de l'équation de diffusion de la chaleur, on propose une méthode permettant d'estimer les sources de chaleur (causes) générées par le processus de déformation.
Sur certains aciers doux, on met en évidence la propagation à vitesse uniforme d'une ou plusieurs bandes dissipatives étroites à travers la zone utile de l'éprouvette. Comparativement à ce premier mode (bandes de Lüders) où les effets dissipatifs sont soudains, intenses et très localisés, on met en évidence le caractère plus régulier et progressif de la concentration des zones où se développent les irréversibilités mécaniques menant à la striction localisée. Des "indicateurs de localisation énergétiques'' proposés pour détecter la localisation montrent qu'elle peut apparaître avant le maximum de la charge, dans plusieurs zones de l'éprouvette. Ce constat implique que la partie utile d'une éprouvette doit être considérée comme une structure et non comme un élément de volume réagissant de façon homogène, ce qui n'est pas sans conséquences sur les méthodes d'identification des modèles de comportement utilisés, en particulier, dans les approches théoriques de la localisation.
Enfin, d'autres expériences ont permis de mettre en évidence des manifestations énergétiques associées à des formes particulières de localisation : propagation de fronts de changement de phase (acier inoxydable A301), effets dissipatifs associés à des bandes de glissement (acier magnétique HiBiGO), effets dissipatifs localisés dans des bandes de cisaillement (polymère PVC).

Eutectoid steel strips are designed for the production of parts for intensive use such as clutches, seat slides, and springs as they exhibit

excellent strength levels and wear resistance. These properties arise from the unique morphology of lamellar pearlite which can be considered

as a self-laminated nanoscale composite. However, a spheroidization annealing step is nowadays necessary to improve the cold forming properties before further cold rolling steps.

This thesis is aimed at improving the tensile ductility of the hot rolled products of eutectoid composition in order to eliminate the intermediate

annealing step. Two strategies are proposed.

The first is to transpose the concept of controlled rolling developed for HSLA to

eutectoid steels. Through a strict adjustment of the austenite processing and of the cooling strategy, it is possible to improve the ductility

of the final lamellar microstructure. The way the processing parameters influence the hot deformation of austenite, the eutectoid transformation and of the subsequent spheroidization annealing is deeply

investigated. It is found that refinement and pancaking of austenite

is beneficial as it reduces the pearlite block size improving the total

tensile elongation. Accelerated cooling is of paramount importance to

achieve fine Interlamellar spacing (ILS), which lead to high strength

levels and accelerate spheroidization during subsequent annealing.

The second approach involves intercritical or warm deformation. Warm processing of eutectoid steels is first explored by torsion testing

and then up-scaled to a pilot rolling-line. The interactions between thermomechanical parameters, rolling forces generated and microstructural

evolution are carefully scrutinized. During concurrent hot deformation, spheroidization of cementite takes place almost instantaneously

in both torsion and rolling. The restoration processes occurring in the ferrite matrix depends on the strain path and the strain rates. Low strain rates (0,1 s−1) and simple shear promotes the formation of a recrystallized-like HABs network of about 3μm in size.

Plane strain compression and high strain rates (10 s−1) leads to the formation of a typical recovered dislocation substructure (LABs) of 1μm in size. During annealing, no recrystallization occurs and the LABs substructure remains stable. This substructure influences drammatically the mechanical properties: the strength is very high and the work-hardening behavior is poor due to high recovery rate in the region close to the LABs. However, due to the presence of spheroidized

cementite particles the ductility of warm rolled eutectoid steels is higher than that of ultra fine grained low carbon steels.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le freinage roue-semelle, principalement utilisé dans le transport frêt, est un système ancien mais qui reste économique de par son architecture. Il présente l'inconvénient majeur de solliciter directement la roue. Les enjeux sécuritaires et de performances nécessitent des procédures d'homologation longues et coûteuses pour l'acceptation d'une roue ou d'une semelle en service commercial. Cette étude vise à développer des outils numériques permettant la présélection d'un couple roue-semelle face à une application donnée et le développement de nouvelles solutions. Les objectifs des deux partenaires de cette étude, Valdunes, fabricant de roues et Flertex, fabricant de semelles, sont plus précisement : l'évolution des contraintes résiduelles dans la roue sous sollicitations de freinage et la prédiction des températures dans le couple roue-semelle. La première phase de ce travail a consisté en une investigation expérimentale approfondie permettant d'identifier les phénomènes prépondérants mis en jeu dans le freinage roue-semelle et d'orienter les modélisations numériques. L'analyse des freinages à l'aide d'une instrumentation thermique (thermocouples et caméra infrarouge) et mécanique (mesures de contraintes résiduelles) a permis d'établir une classification des différents gradients thermiques observés. Une distinction a pu être faite entre les freinages d'arrêts (localisations de type " bandes chaudes " étroites circulant dans le contact, avec peu de modifications des contraintes résiduelles) et les freinages de maintien (bandes chaudes larges et centrées dans le cas des semelles organiques et modification des contraintes résiduelles). La détermination des températures et des gradients thermiques est obtenue par une modélisation 2D thermomécanique du couple roue-semelle avec intégration des phénomènes d'usure et d'interface thermique. Elle permet la mise en évidence des phénomènes mis en jeu dans l'apparition et la circulation des bandes chaudes, par compétiton entre les phénomènes de dilatations thermiques et d'usure. Le modèle est validé par confrontation avec les mesures expérimentales
Une seconde modélisation est proposée permettant la prise en compte de la géométrie 3D de la semelle. L'originalité se situe dans la résolution thermique transitoire de la roue, basée sur un suivi temporel d'une section de roue suivie d'une reconstitution 3D. Les résultats permettent la prédiction des localisations sur toute la surface de frottement. L'utilisation conjointe de ces modèles permet de répondre à l'objectif de prédiction des gradients thermiques et de mise à disposition de moyens d'optimisation de la semelle. Pour le second objectif de prédiction de l'évolution des contraintes résiduelles dans les roues, la détermination de l'état initial, issu du traitement thermique, est nécessaire. Elle est réalisée à l'aide d'un modèle thermomécanique 2D axisymétrique. Le coefficient d'échange thermique, lors de la trempe, a été identifié sur un dispositif expérimental développé spécifiquement. Différentes simulations ont pu montrer l'importance du modèle de comportement du matériau de la roue sur la distribution des contraintes résiduelles, notamment la prise en compte des phénomènes visqueux. Les résultats indiquent une bonne prédiction de l'évolution des contraintes résiduelles, de compression après le traitement thermique puis leur passage en traction après freinages, en conformité avec les relevés expérimentaux. Des compléments sont en cours pour une meilleure identification du modèle de comportement du matériau de la roue

L'élaboration des aciers ODS fait appel à une étape de consolidation par filage à chaud. Les propriétés très anisotropes de ces matériaux à l'état filé, notamment les nuances purement ferritiques (>12% Cr), nécessitent une meilleure compréhension des effets du procédé de filage sur la microstructure. Ainsi, ce travail de thèse a pour objectif principal d'étudier les évolutions de la microstructure lors de la transformation à chaud des aciers inoxydables ODS ferritiques, et plus globalement de comprendre le comportement de ces matériaux sous sollicitation mécanique à haute température. Pour cela, des essais de filage interrompus et des essais thermomécaniques de torsion et de compression à chaud (1000-1200°C) ont été réalisés sur plusieurs aciers ferritiques à 14% de Cr présentant différents taux de renfort en titane et en yttrium. Les microstructures obtenues après déformation ont été caractérisées par EBSD.L'ensemble des analyses microstructurales effectuées montre que la mise en forme à chaud des aciers ferritiques par filage s'accompagne d'une recristallisation dynamique de type continue. Après formation des sous-joints par restauration, leurs désorientations continuent à croître, et ceux-ci se transforment graduellement en joints de grains au cours de la déformation. La cinétique de ce mécanisme semble néanmoins fortement influencée par les caractéristiques de la précipitation présente dans le matériau ; la recristallisation devenant moins complète lorsque les précipités sont plus fins et plus nombreux. En plus du taux de renfort, l'étude de la déformation de ces nuances en torsion et en compression dans des conditions proches de celles observées en filage révèle également une forte influence de la température sur leur comportement. Les microstructures de déformation présentent une évolution d'autant plus importante que la température et/ou le taux de renfort sont limités. À 1000°C, les évolutions observées indiquent la présence de la recristallisation dynamique continue. En revanche, lorsque l'on augmente la température et/ou le taux de renfort, la déformation s'accompagne d'une évolution limitée de la microstructure, notamment en torsion où un endommagement sévère aux niveaux des joints de grains est observé. Dans ce cas, les résultats sont interprétés par un mécanisme d'accommodation de la déformation au voisinage des joints de grains. Les paramètres rhéologiques calculés à partir de ces essais mécaniques confirment la tendance à une faible activité plastique au sein des grains dans les nuances renforcées
The production of ODS steels involves a powder consolidation step usually using the hot extrusion (HE) process. The anisotropic properties of extruded materials, especially in the ODS ferritic grades (>wt%12Cr), need a better understanding of the metallurgical phenomena which may occur during HE and lead to the observed microstructure. The hot working behavior of these materials is of particular interest. The methodology of this work includes the microstructure analysis after interrupted hot extrusion, hot torsion and hot compression (1000-1200°C) tests of ferritic steels with 14%Cr and different amounts in Ti and Y2O3.The microstructure evolution during hot extrusion process is associated with continuous dynamic recrystallization (CDRX). It leads to the creation of new grains by the formation of low angle boundaries, and then the increase of their misorientation under plastic deformation. The investigations highlight also the role of precipitation on the kinetics of this mechanism; it remains incomplete in the presence of fine and dense nanoprecipitates. After hot deformation in torsion and compression, it is noticed that both precipitates and temperature deformation have a significant impact on the deformation mechanisms and microstructure evolution. Indeed, the CDRX is dominant when temperature and amount of reinforcement are limited. However, when they are increased, limited microstructure evolution is observed. In this case, the results are interpreted through a mechanism of strain accommodation at grain boundaries, with low dislocation activity in the bulk of the grains

L’objectif de cette étude repose sur un contexte industriel, dans lequel, des échangeurs de chaleur à haute pression, composés de plaques et d’ondes en acier inoxydable austénitique 316L, sont brasés avec un alliage Ni-Cr-Fe-Si (BNi-5), puis soumis à un procédé de soudage multipasse TIG (Tungsten Inert Gas), avec un métal d’apport en superalliage de nickel Inconel 625. Due à leur microstructure et composition chimique hétérogène, la rupture des joints brasés peut survenir pendant les opérations de soudage. Dans un premier temps, des études microstructurale et chimique sont réalisées à l’interface de liaison entre le métal de base, les joints brasés et les cordons de soudure, afin de comprendre les phénomènes liés à l’origine de la rupture. Les résultats montrent qu’un cycle de brasage favorisant la formation d’un joint brasé monophasé de γ-Ni, permet d’éviter la rupture des joints brasés pendant le soudage. Cependant, la présence de Si intergranulaire peut impliquer la formation de micro-fissures à chaud dans les joints brasés contenus dans la ZAT. L’étude du GOS (Grain Orientation Spread) au travers des mesures EBSD, a également permis de quantifier la magnitude de la déformation plastique dans la ZAT, induite par le procédé de soudage. Une énergie de soudage inférieure à 1100 J/mm limite la déformation plastique des assemblages brasés. Des essais de nanoindentation et de traction sont également réalisés à température ambiante afin de déterminer les propriétés mécaniques des assemblages brasés. Les résultats des essais de traction montrent que la rupture survient dans le 316L, lorsque les joints brasés sont monophasés γ-Ni. Dans un second temps, une loi de comportement originale thermodynamiquement consistante, dédiée aux applications de soudage, est présentée pour décrire le phénomène de restauration de l’écrouissage dans les métaux pendant un traitement thermique de recuit. Les équations constitutives sont basées sur une formulation thermo-élasto-plastique classique, et améliorées par l’ajout d’une nouvelle variable interne qui contrebalance l’effet de l’écrouissage à travers une loi d’évolution dépendante de la température. La loi de comportement est implémentée dans un solveur EF ABAQUS/Standard à l’aide d’une subroutine utilisateur (UMAT). L’identification des paramètres du modèle est obtenue à l’aide d’essais de compression et de traitements thermiques sur un acier inoxydable austénitique 316L. De plus, des mesures de contraintes résiduelles sont effectuées sur une plaque soudée et comparées aux valeurs calculées par simulation numérique, afin d’évaluer les capacités du modèle. Les valeurs obtenues numériquement sont en adéquation avec les valeurs expérimentales. Enfin, des simulations tridimensionnelles du soudage multipasse sont réalisées dans le but d’estimer les champs de contrainte et de déformation lors du soudage TIG d’un échangeur de chaleur. Les contraintes maximales se développant dans la ZAT pendant le soudage peuvent atteindre 600 MPa, dès le refroidissement de la première passe. Ainsi, les résultats numériques sont en accord avec les observations expérimentales, qui indiquent qu’en cas de rupture des joints brasés lors du soudage, celle-ci apparait lors des premières passes, au cours du refroidissement
The aim of the study relies on an industrial context, in which, high pressure Plate Fin Heat Exchangers (PFHE) made of austenitic stainless steel 316L, are brazed with Ni-Cr-Fe-Si (BNi-5) alloy, then followed by dissimilar multipass TIG (Tungsten Inert Gas) welding process with nickel-based superalloy Inconel 625, used as filler metal. Due to their heterogeneous microstructure and chemical composition, fractures of brazed joints may appear during the welding of brazed assembly. Firstly, microstructural and chemical characterizations are made at the bonding interface between base metal, brazed joints and weld beads, to understand the fracture phenomena. Results show that a brazing cycle promoting the formation of γ-Ni single phase brazed joints, allows avoiding the fracture of brazed joints during welding. However, intergranular Si may involve the formation of hot cracks in brazed joints located in HAZ. The study of GOS (Grain Orientation Spread) through EBSD measurements, allows quantifying the magnitude and spatial distribution of plastic deformation in the HAZ after welding. A welding energy under 1100 J/mm limits the plastic deformation of brazed assemblies. Nanoindentation and tensile tests are also carried out at room temperature to determine the mechanical properties of brazed assembly. The results of tensile tests show that fracture occurs in the 316L, when brazed joints are formed by a γ-Ni single phase. Secondly, an original thermodynamically consistent modeling approach, dedicated to welding applications, is presented to describe the phenomenon of hardening recovery in metals during annealing heat treatment. The constitutive equations are based on a classical thermo-elasto-plastic formulation which is enhanced by a new recovery variable counterbalancing the effect of the hardening through a temperature-dependent evolution law. The model is implemented into the FE solver ABAQUS/Standard with the help of a User Material subroutine (UMAT). The identification of the model parameters is achieved through experimental compressive tests and heat treatments on 316L austenitic stainless steel. In addition, to evaluate the capabilities of the model, residual stress measurements are carried out on a welded plate and compared to values computed by numerical simulation. The obtained values match the experimental measurements. Finally, three-dimensional simulations of multipass welding are realized to estimate the stress and deformation fields during TIG welding process of a heat exchanger. The maximum stress in HAZ may reach 600 MPa during the cooling of the first welding pass. Thus, the results of numerical simulation are in agreements with the experimental observations, indicating that in case of fracture of brazed joints during welding, the fracture occurs from the cooling of the first passes

Ce travail de thèse a pour but de contribuer à l'étude du comportement thermomécanique des matériaux métalliques soumis à un impact balistique. Des études expérimentales, analytiques et numériques ont été réalisées pour analyser en détail le processus de perforation. Deux matériaux ont été étudiés au cours de ce travail : un acier doux ES et un acier IF. Dans un premier temps, des essais de caractérisation mécanique (traction et compression quasi-statique et dynamique) ont été réalisés en vue de la modélisation du comportement mécanique des matériaux étudiés. Les résultats montrent que l'acier doux ES et l'acier IF sont très sensibles à la vitesse de déformation. Deux modèles constitutifs, l'un empirique (Johnson-Cook) et l'autre semi-physique (Rusinek-Klepaczko) ont été utilisés pour modéliser le comportement thermoviscoplastique des matériaux. Une identification complète des constantes définissant les deux modèles a été réalisée pour chaque matériau en vue de l'implémentation des lois dans un code éléments finis pour la simulation numérique des essais d'impact et de perforation. Le comportement à l'impact des matériaux a ensuite été étudié. Les essais d'impact et de perforation ont été réalisés à l'aide d'un canon à gaz. L'influence de la géométrie du projectile, des propriétés mécaniques du matériau le constituant, de l'épaisseur de la cible et de sa configuration (sandwich ou monolithique) sur le processus de perforation a été analysée. Les résultats montrent que le mode de rupture, la limite balistique et la capacité d'absorption d'énergie de la cible métallique sont fortement liés à la forme du projectile utilisé. Il a été montré que les cibles métalliques monolithiques résistent mieux à la perforation que les configurations sandwichs (épaisseur totale inférieure ou égale à 4 mm). En outre, il a été trouvé que la limite balistique de la cible est fortement influencée par la rigidité du projectile utilisé. Enfin un modèle EF 3D a été développé permettant de simuler le comportement mécanique des cibles métalliques soumises à l'impact et à la perforation. Les résultats issus des prévisions numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux. Il a été observé de façon globale un bon accord entre les prévisions numériques et l'expérience notamment en termes de courbes balistiques, d'énergie absorbée, de modes de rupture et de temps de rupture pour chaque type de projectile. Les résultats numériques montrent l'importance d'une description précise du comportement des matériaux dans les conditions dynamiques basée sur des expériences de laboratoire incluant les effets d'adoucissement thermique, d'écrouissage et de sensibilité à la vitesse de déformation, dans la modélisation numérique de processus physiques
This thesis aims to contribute to the study of the thermo-mechanical behaviour of metallic materials subjected to ballistic impact. Experimental, analytical and numerical studies were performed to analyze in details the process of perforation. Two materials have been investigated in this work : mild steel ES and IF steel. As a first step, mechanical characterization tests (tensile and compression tests under quasi-static and dynamic conditions) As have been made towards to modeling the mechanical behaviour of the materials studied. The results show that mild steel ES and IF steel are highly susceptible to the strain rate. Two constitutive equations, one empirical (Johnson-Cook) and other semi-physical (Rusinek-Klepaczko) were used to model the thermoviscoplastic behaviour of materials. A complete identification of constants defining the two models was carried out for each material in order to implements the constitutive laws into a finite element code for the numerical simulation of impact and perforation tests. The behaviour of materials under impact was then examined. The effect of the projectile shape, the mechanical properties of the projectile material, the target thickness and it is configuration (monolithic or sandwich) on the perforation process was analyzed. The results show that the failure mode, the ballistic limit and the energy absorption power of the metal target are strongly related to the shape of the projectile used. It has been shown that the monolithic targets plates are more strong to be perforate than the sandwich configurations (total thickness less than or equal to 4 mm). In addition, it was found that the ballistic limit of the target is strongly influenced by the rigidity of the projectile used. Finally, a 3D FE model was developed to simulate the mechanical behaviour of metal targets subjected to ballistic impact. The results from the numerical predictions were compared with experiments. It has been observed globally a good agreement between the numerical predictions and experiments especially in terms of ballistic curves, energy absorbed, failure modes and failure time for each kind of projectile. The numerical results show the importance of an accurate description of materials behaviour under dynamic conditions based on laboratory experiments including thermal softening effects, strain hardening and strain rate sensitivity in numerical modeling of physical processes

Parmi les procédés de soudage, la simulation numérique du soudage par résistance électrique par points offre l'avantage d'un calcul direct des sources de chaleur par couplage électro-thermique. En revanche, les données nécessaires pour décrire les contacts sont rares et difficiles à mesurer. Comme pour les autres procédés
de soudage, la difficulté principale en simulation numérique est la disponibilité de données d'entrée à toutes températures depuis l'ambiante jusqu'au-delà de la fusion. Le couplage des premiers modèles électrothermiques avec des modèles mécaniques permet un bon accord entre expérience et simulation. Une fois qu'un modèle a été validé selon tous les domaines physiques concernés, des résultats comme les cycles thermiques, la taille de soudure ou les contraintes, déformations et état métallurgique résiduels peuvent être utilisés pour mieux comprendre le procédé, pour le piloter ou pour modéliser le comportement des soudures.

Les aciers TWIP se déforment par maclage et par glissement de dislocations, avec pour conséquence de forts taux d’écrouissage. Les mécanismes de déformation sont contrôlés par l’énergie de faute d’empilement (EFE). Un modèle de prévision de l’EFE et une régression de TNéel (transition antiferro/paramagnétique) de l’austénite sont proposés pour les systèmes FeMnXC (X = Cu, Cr, Al, Si et Ti). Les nuances FeMnCuC étudiées ont une EFE plus faible que la nuance de référence Fe22Mn0,6C. La formation de martensite [epsilon]?se substitue au maclage, sans dégradation des caractéristiques mécaniques en traction. La contrainte d'écoulement diminue avec la teneur en carbone et la formation de martensite [alpha]' aux plus basses EFE réduit l'allongement à rupture. La substitution d'une partie du manganèse par du cuivre permet un gain de 20% sur le module d'Young à température ambiante, en abaissant TNéel en dessous de 0ºC. La précipitation intragranulaire de carbures de vanadium augmente la limite d’élasticité mais n’influence pas le taux d’écrouissage. Aucune interaction entre précipités et macles n'a été observée en microscopie. Les calculs de cohérence et les mesures au MET montrent que les carbures ont une relation d'orientation avec l'austénite et sont semi-cohérents avec une faible cohérence résiduelle. Les contraintes induites ne semblent pas suffisantes pour piéger de grandes quantités d'hydrogène. Les alliages FeMnC + TiC présentent un fort durcissement par effet composite en début de déformation, tandis que l'écrouissage par effet TWIP n'est pas modifié par la présence des particules TiC. Cependant, le clivage des précipités primaires de grande taille réduit l'allongement à rupture
TWIP steels deformation occurs by twinning and by dislocations gliding which leads to high a strain hardening. The deformation mechanisms are controlled by the stacking fault energy (SFE). A model for the prediction of the SFE and a law for TNéel (antiferro to paramagnetic transition) for austenite are proposed in FeMnXC systems (X = Cu, Cr, Al, Si et Ti). The studied FeMnCuC grades have a lower SFE than the Fe22Mn0,6C reference. The formation of [epsilon]-martensite replaces twinning without any deterioration of the mechanical properties. The flow stress decreases with the carbon content and the formation of [alpha]'-martensite at the lowest SFEs reduces the elongation to fracture. Substituting a part of the manganese content by copper leads to a 20% increase of the Young's Modulus at room temperature by decreasing TNéel below 0ºC. The precipitation of intragranular vanadium carbide increases the yield stress but does not influence the strain hardening rate. No interaction between precipitates and twins has been observed by microscopy. The coherency calculations and the TEM observations show that the carbides have an orientation relation with the austenite and are semi-coherent with a low residual coherency. The resulting stresses do not seem to be high enough to trap large quantities of hydrogen. The FeMnC + TiC alloys exhibit a strong hardening by composite effect at the beginning of deformation, while the strain hardening due to TWIP effect is not modified by the presence of the TiC particles. Meanwhile, cleavage occurs in the largest primary precipitates, which reduces the elongation to fracture

Ce travail porte sur la caractérisation des mécanismes de rupture, ductile et fragile, de matériaux tubulaires utilisés pour la fabrication de générateurs de gaz pour airbag. Lors d’un accident, le coussin d’un airbag est gonflé en quelques millisecondes par un générateur de gaz. En cas de défaillance de ce dernier, un mode de rupture ductile doit être assuré jusqu’à des températures de -60°C. Un essai Charpy sur éprouvette anneau a été proposé pour quantifier le risque de rupture fragile des matériaux des générateurs de gaz. Cependant, cette modification de l’essai Charpy soulève deux problématiques : dans quelle mesure cet essai permet de caractériser la transition ductile-fragile et comment déduire le risque de rupture fragile d’un générateur de gaz en fonctionnement à partir des résultats des essais Charpy ? Pour répondre à ces questions, une approche combinant essais et simulations numériques a été mise en place. Différents essais ont été développés afin de caractériser le comportement et l’endommagement ductile du matériau de l’étude. Une approche locale de la rupture ductile a été adoptée pour la modélisation. Ensuite, une campagne d’essais Charpy sur anneau effectuée pour des températures comprises entre -160°C et 23°C a permis de caractériser la transition ductile-fragile. Une étude numérique de cet essai a été menée puis couplées aux essais Charpy, cela a permis de mettre en place une modélisation de la rupture fragile. Le risque de rupture fragile des éléments structuraux de générateurs de gaz est enfin évalué. L’influence du procédé de fabrication sur le risque de rupture fragile a aussi été étudiée
This work deals with the characterization of the ductile and brittle failure mechanisms of tubular materials used for the manufacture of airbag gas generators. During a crash, airbag cushion is inflated in a few milliseconds by a gas generator. In case of gas generator failure, a ductile failure mode must be ensured up to temperatures of -60°C. A Charpy ring test has been proposed to quantify the risk of brittle failure of gas generator materials. However, this modification of the Charpy test raises two issues: to what extent does this test allow to characterize the ductile-fragile transition and how can the risk of brittle failure of an operating gas generator be deduced from the results of the Charpy test? To answer these questions, an approach combining experiments and numerical simulations was implemented. Various experimental configurations were developed in order to characterize material behavior and ductile damage. The ductile failure is modeled with a local approach. Then, ductile to brittle transition was characterized by a Charpy ring test campaign performed for temperatures between -160°C and 23°C. A numerical study of this test was carried out. Coupled with the Charpy tests, it allowed to set up a model of the brittle failure. The risk of gas generators brittle failure is finally evaluated. The influence of the manufacturing process on the risk of brittle failure was also studied