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International audience; Ce travail consiste à étudier l'effet de la taille, la dispersion et la texture cristallographique des grains sur le comportement mécanique d'un alliage de titane Ti-6Al-4V. L'investigation des champs mécaniques (contraintes et déformations) est effectuée aux différentes échelles, sous chargement quasi-statique monotone de traction. Le modèle de comportement utilisé est développé dans le cadre de l'approche de plasticité cristalline. Douze volumes élémentaires représentatifs (VER) permettant la prise en compte des paramètres stériologiques (taille, dispersion et texture cristallographique) sont construits, puis la simulation du comportement mécanique du Ti-6Al-4V est effectuée en utilisant le modèle de méric-Cailletaud [1] en corporation avec la métode des elements finis. Enfin, l'influence des éléments microstructurales du matériau est analysée. Les résultats montrent que le comportement mécanique macroscopique du Ti-6Al-4V est fortement lié à la texture cristallographique des grains, cette dernière donne à la déformation plastique de l'alliage Ti-6Al-4V un caractère hétérogène ainsi qu'un comportement mécanique macroscopique anisotrope. La taille moyenne des grains influe également sur les propriétés mécaniques du Ti-6Al-4V, en particulier sur la limite d'élasticité; en diminuant la taille moyenne des grains, la limite d'élasticité augmente. Enfin la distribution des tailles des grains influe sur le comportement local du matériau, elle donne aux champs de déformation une hétérogénéité suffisante lorsque la dispersion augmente.

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Extrait de : Matériaux, usures et corrosion - 38èmes Journées du cercle d'études des métaux, Liège, BELGIQUE, 26-27 mai 1999; International audience

The aim of this experimental work is to identify the levels of damage necessary to activate different plastic strain mechanisms under volume fatigue and surface fatigue stresses (obtained indirectly by friction tests) of CoCrMo type hardfacing obtained by the SLM additive manufacturing process. While the surfacing processes on aeronautical mechanical parts are preferably performed by powder projection, the Selective Laser Melting (SLM) process is based on "powder bed" technology within the ICA-Albi laboratory. The interactions between powders and laser beams by powder bed technology can be considered as exploratory compared to powder projection processes and thus lead to coatings with microstructural particularities. The study of the plastic deformation behaviour via specific material parameters is undertaken by defining a mass percentage of additive elements necessary to activate the plastic deformation mechanism by phase transformation. This thesis initiates a study on the damage behaviour under multi-stress loading. Four-point plane bending fatigue tests are performed for different levels of mechanical loading to stress the volume. Tribological tests are carried out to engage different physical mechanisms of strain accommodation and thus study the synergy between frictional loading and surface degradation. In combination with tribological and fatigue tests, microstructural investigations and physical-chemical analyses have allowed the identification of damage mechanisms.; L'objectif de ce travail expérimental est d'identifier les niveaux d'endommagements nécessaires pour activer différents mécanismes de déformation plastique sous sollicitations en fatigue volumique et en fatigue de surface (obtenue indirectement par des essais de frottement) de rechargements de type CoCrMo obtenus par le procédé de fabrication additive SLM. Si le procédé de rechargement sur des pièces mécaniques aéronautiques se fait préférentiellement par projection de poudre, au sein du laboratoire ICA-Albi, le procédé de Selective Laser Melting (SLM) est basé sur la technologie "lit de poudres". Les interactions "poudres/faisceau laser" par technologie en lit de poudres peuvent être considérées comme exploratoires par rapport aux procédés par projection de poudre et ainsi conduire à des revêtements présentant des particularités microstructurales. L'étude du comportement sur la déformation plastique via des paramètres spécifiques matériaux est engagée en définissant un pourcentage en masse d'éléments d'addition nécessaire pour activer le mécanisme de déformation plastique par transformation de phase. Cette thèse initie une étude sur le comportement à l'endommagement sous sollicitations multi-contraintes. Des essais en fatigue flexion plane 4 points sont effectués pour différents niveaux de chargements mécaniques permettant de solliciter le volume. Des essais tribologiques sont réalisés pour engager des mécanismes physiques d'accommodation de la déformation différents et ainsi étudier la synergie entre la sollicitation de frottement et la dégradation de surface. Associées aux essais tribologiques et aux essais en fatigue, des investigations microstructurales et des analyses physico chimiques ont permis d'identifier les mécanismes d'endommagement.

Dissimilar Al2024/Ti-6Al-4V welding presents opportunities of light-weighting in the aircraft industry, large consumer of titanium alloys, through the replacement of titanium monolithic structures with “hybrid” Al2024/Ti-6Al-4V structures. However, due to their large differences in physical properties and the formation of brittle intermetallic compounds, Al2024/Ti-6Al-4V welding by conventional fusion joining processes is very difficult. Friction stir welding (FSW) emerges as a promising candidate for Al2024/Ti-6Al-4V welding, since it is a solid state joining process.The aim of this thesis is to understand the relationship between the process parameters, the metallurgical evolutions induced at different scales (from the material flow to the grain and the atomic scales) and the mechanical behaviour of the welds, in order to identify optimized welding conditions regarding to the mechanical properties. In particular, since welds are governed by thermal, material flow and metallurgical phenomena, research studies are organized around these three points.The use of infrared thermography, coupled with numerical results, allow to establish a relationship between FSW parameters and a heat index. Then, the characterization of the welds reveals the formation of “macroscopic” discontinuities (hooks, continuous Alclad film) whose features depend on the material flow. On the scale of the microstructure, metallurgical heterogeneities, mainly related to the evolutions of the precipitation state, are observed in the Al2024. Finally, at the interface, chemical heterogeneities, which can lead to the formation of intermetallic compounds, are identified. The contribution of all these evolutions on the mechanical behaviour of the welds is assessed by digital image correlation. In particular, it is shown that the evolutions related to the material flow are predominant for the studied welding conditions. All the results obtained in this work offer some interesting perspectives for the optimization of the mechanical properties.; Le soudage hétérogène Al2024/Ti-6Al-4V présente des possibilités d’allègement dans le secteur aéronautique, grand consommateur d’alliages de titane, à travers le remplacement des structures monolithiques en titane par des structures dites « hybrides » Al2024/Ti-6Al-4V. En raison de leurs grandes différences de propriétés physiques et de la formation de phases fragiles à l’interface, leur soudage par les procédés classiques par fusion n’est pas maitrisé. Le procédé de soudage par friction malaxage (FSW), s’opérant à l’état solide, se positionne comme un candidat prometteur au soudage Al2024/Ti-6Al-4V. Cette thèse vise à appréhender les relations existantes entre les paramètres du procédé, les évolutions métallurgiques induites à différentes échelles (du flux de matière aux échelles du grain et atomique) et le comportement mécanique des soudures, en vue de dégager des conditions de soudage optimisées au regard des propriétés mécaniques. En particulier, les soudures étant régies par des phénomènes thermique, d’écoulement de matière et métallurgique, les travaux de recherche sont organisés autour de ces trois aspects. Tout d’abord, l’instrumentation des essais FSW par thermographie infrarouge, couplée à des résultats numériques, ont permis de relier les conditions de soudage étudiées à un indice de chaleur. La caractérisation des soudures a ensuite révélé la formation de discontinuités « macroscopiques » (crochets, film continu de clad) dont les caractéristiques sont tributaires du flux de matière. A une échelle plus fine, des hétérogénéités métallurgiques, principalement attribuées à des évolutions de l’état de précipitation, sont observées dans l’Al2024. Enfin, à l’interface des hétérogénéités chimiques, pouvant donner lieu à la formation de composés intermétalliques, ont été identifiées. La contribution de toutes ces évolutions sur le comportement mécanique des joints soudés a été évaluée par corrélation d’images. En particulier, il est montré que les évolutions liées au flux de matière prédominent pour les conditions de soudage étudiées. L’ensemble des résultats obtenus dans ce travail ouvrent des perspectives intéressantes pour l’optimisation des propriétés mécaniques.

Car manufacturers are building using a self-hardening high strength boron steel (22MnB5) for safety and environmental concerns. But the shaping of sheets made of these kind of steel imposes on tools severe mechanical stresses and strong thermal transfer. The integration of a blanking function in transfer presses is a response to reach high profitability, but blades are subjected to the same durability problems. The aim of this thesis is to understand how hot blanking tools are wearing in order to give to manufacturers tool material guidelines (X38CrMoV5-3 or X70CrMoV5-2) and process parameters guidelines. To do so, an estimation of mechanical stresses and thermal solicitation is required. The methodology is based on four steps: literature search, hot blanking trials on a specific module of ICA laboratory industrial pilot MEFISTO, finite element simulations of the operation, and microstructural analysis. The state of art is focused on the description of the operation, the physical and mechanical properties of the blank material and tools materials, the blank/tool interface behavior, and the techniques used simulate the hot blanking process. Trials on the hot blanking module provided blanking force and observations of worn blades. These informations are needed to validate the finite element model. This model shows that mechanical stresses are local, intense and slides in the blade cutting edge. Moreover, the blade heating generates a surface temperature close to tool steel tempering temperature. Experimental results compared to numerical ones allow to understand the link between thermo-mechanical stresses and how the damage occurs.; Les constructeurs automobiles utilisent des aciers auto-trempant à haute résistance au bore manganèse (22MnB5) pour des questions de sécurité et environnementale. La mise en forme à chaud de tôles constituées de cet acier impose aux outillages des contraintes mécaniques sévères et un échauffement intense. L'intégration d'une fonction de cisaillage sous presse à suivre permet de répondre à des problématiques rentabilité de production, mais les lames sont confrontées à des problèmes similaires de durabilité. L'objectif de cette thèse est de comprendre la dégradation des outils de cisaillage à chaud afin de proposer des guides de choix de matériaux d'outil (X38CrMoV5-3 ou X70CrMoV5-2) et de paramètres du procédé. Cela requiert l'estimation des sollicitations mécaniques et thermiques dans la partie active de l'outil. La méthodologie développée passe par quatre étapes : une recherche bibliographique, des essais de cisaillage à chaud sur un module spécifique du pilote MEFISTO de l'ICA, le développement d'un modèle thermomécanique éléments finis de l'opération et des analyses des microstructures. Un état de l'art portant sur la définition de l'opération de découpage de tôles, sur les propriétés physiques et mécaniques du matériau de tôle et des lames, le comportement à l'interface tôle/outil et sur les techniques permettant de simuler le découpage a été proposé. Des essais sur le module de découpage ont permis d'accéder à des résultats d'effort et des observations des endommagements des lames de cisaillage. Ces informations sont utilisées pour valider le modèle de calcul éléments finis. Ce modèle montre que les contraintes mécaniques sont locales, intenses et se déplacent dans l'arête de coupe. De plus, l'échauffement de l'outil engendre une température de surface proche des températures de revenu des matériaux d'outil. La comparaison des résultats de simulation numérique et de l'étude expérimentale permettent de comprendre le lien entre les dégradations observées et les sollicitations thermomécaniques.

In the field of hot forging of aeronautical parts, the steel dies are commonly hardfaced, on few millimeters thick, by a cobalt-based alloy (Stellite 21) deposited by arc welding (MIG). As part of this thesis, this "classic" hardfacing is compared to Stellite 21 and Stellite 6 hardfacings deposited by two emerging processes in this area, the PTA and the LASER one. The objective is to assess surface damage mechanisms, especially induced by plastic strain, of these various hardfacings. Tribological tests (laboratory and semi-industrial) were used to create surface damage comparable to those observed in industrial dies. Associated with these tests, multiscale microstructural, structural and mechanical investigations have been performed (tensile, bending, microhardness, OM, SEM, STEM, XRD, EBSD). According to the « material/process » couple, plastic strain mechanisms by perfect dislocation glide and by FCC to HCP phase transformation have been identified. The activation of the latter has been connected to the temperature of the allotropic phase transformation (FCC/HCP) in cobalt. This temperature depends on (i) the alloying elements, varying according to the deposited grade (Cr, C, ...), (ii) the dilution (Fe content evolution) connected to the welding parameters and (iii) the number of deposited layer. Moreover, a significant influence of the phase transformation on the evolution of the friction coefficient has been evidenced. Indeed, if the phase transformation is not observed, the friction coefficient is stable during the test, while a drop of the friction coefficient curve is connected with the FCC to HCP phase transformation. Moreover, the plastic flow of dendrites is observed at the extreme surface, on a few tens of micrometres in thickness, in the direction of sliding. It is associated with a high morphologic and crystallographic texturing of the identified phase (FCC or HCP), with the highest atomic density planes mostly oriented parallel to the sliding surface. The results also show that, under tribological laodings, a significant hardening is observed on the surface (up to 90%) and a correlation has been established between the increase in the microhardness and the plastic deformation ratio.; Dans le domaine du forgeage à chaud de pièces aéronautiques, les matrices en acier sont couramment rechargées, sur quelques millimètres d’épaisseur, par un alliage base cobalt (Stellite 21) déposé par procédé de soudage à l’arc (MIG). Dans le cadre de ce travail de thèse, ce rechargement « classique» est comparé à des rechargements Stellite 21 et Stellite 6 déposés par deux procédés émergents dans ce domaine, le PTA et le LASER. L’objectif est d’apporter des éléments de compréhension aux mécanismes d’endommagement de surface, notamment par écoulement plastique, de ces différents rechargements afin de dégager des voies d’amélioration pour augmenter la durée de vie des matrices. Pour cela, des essais tribologiques (semi-industriels et laboratoire) ont été mis en œuvre pour créer des endommagements de surface comparables à ceux observés sur matrices industrielles. Associées à ces essais, des investigations microstructurales, structurales et mécaniques multi-échelles ont été réalisées (traction, flexion, microdureté, MO, MEB, MEB-STEM, DRX, EBSD). Selon les couples « nuance/procédé » de rechargement, des mécanismes de déformation plastique par glissement des dislocations parfaites et par transformation de phase CFC en HC ont été identifiés. L’activation de ce dernier a pu être reliée à la température de transformation allotropique CFC/HC du cobalt. Cette température dépend à la fois (i) des éléments d’addition, variant en fonction de la nuance déposée (Cr, C,...), (ii) de la dilution (variation de la teneur en Fe) liée aux paramètres de soudage et (iii) du nombre de couches déposées. De plus, une influence significative de la transformation de phase sur l’évolution du coefficient de frottement a été mise en évidence. En effet, dans le cas où la transformation de phase n’est pas observée, le coefficient de frottement est stable durant l'essai alors qu'une chute de la courbe de coefficient de frottement a été reliée avec la transformation de phase CFC en HC. Parallèlement, l'écoulement plastique des dendrites est observé en extrême surface sur quelques dizaines de micromètre d'épaisseur dans la direction de glissement. Cet écoulement est associé à une forte texturation morphologique et cristallographique de la phase identifiée (CFC ou HC), avec une orientation des plans de plus grande densité atomique parallèlement à la surface de glissement. Les résultats montrent également que sous sollicitations tribologiques, un important durcissement est observé en surface (jusqu'à 90%) et une corrélation a pu être établie entre l'augmentation de la microdureté et le taux de déformation plastique.