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International audience

Metal dusting is a kind of catastrophic carburization of iron or nickel-base alloys. This phenomenon occurs when the gas mixture is carbon-rich, at temperatures higher than 900°C. The aim of this work consists in forming a protective oxide scale against carburization on the surface of model alloys. In the present work, four model alloys (Fe26Cr, Fe26Cr2Si, Ni25Cr and Ni25CrSi) were pre-oxidized at 900 and 950 °C in a high oxygen containing gas (dry air) or in a low containing oxygen gas mixture (N2-5%H2). Thus, blank and pre-oxidized alloys were exposed to a highly carburizing environment (Ar-10%CH4), at 900 °C. The pre-oxidation study focuses on the oxide scale morphologies and diffusion mechanisms in the oxide scales. Carburization tests show that it is possible to influence the protectiveness of the oxide scales depending on the oxidizing gaseous environment, and temperature. Thereby, a chromia scale alone and/or a non-adherent scale is not an effective way to prevent carburization in highly carburizing environments. However, the presence of silicon in ferritic alloys is beneficial. Its presence in the ferritic matrix prevents chromium carbide formation inside the alloy grains. After oxidation, an amorphous silica scale also limits carbon ingress along the alloy grain boundaries. Silica is chemically more stable than chromia. Then, its presence appears to be essential to ensure a good protection. On the other hand, the non-continuous cristobalite scale formed on austenitic alloys does not appear to be protective enough., Le « metal dusting » est une carburation catastrophique des alliages à base de fer ou de nickel. Ce phénomène a lieu lorsque le mélange gazeux est sursaturé en carbone, à des températures supérieures à 900°C. L’objectif de ce travail consiste à former une couche protectrice d'oxyde sur la surface des alliages. Pour cela, quatre alliages chrominoformeurs modèles (Fe26Cr, Fe26Cr2Si, Ni25Cr et Ni25Cr2Si) sont pré-oxydés à 900 et 950°C dans un mélange gazeux à forte teneur en oxygène (air sec) ou à faible teneur en oxygène (N2-5%H2). Chaque alliage a ensuite été exposé à un environnement fortement carburant (Ar-10%CH4) à 900°C. La carburation des alliages bruts est comparée à celle des alliages recouverts d'une couche d'oxyde. L’étude de l'oxydation met l’accent sur l'aspect morphologique et les mécanismes de diffusion dans les couches d'oxyde formées. Le travail concernant la carburation montre qu’il est possible d’influencer le caractère protecteur des couches de pré-oxydation en fonction du choix de l'environnement gazeux et de la température. Ainsi, la constitution d’une couche de chromine seule et/ou d’une couche non adhérente ne sont pas des situations efficaces pour lutter contre la carburation dans des environnements très carburants. Par contre, la présence du silicium dans les alliages ferritiques est avantageuse à double titre. Sa présence dans la matrice ferritique permet d’éviter la formation des carbures de chrome à l'intérieur des grains de l’alliage. Au cours de la pré-oxydation, le silicium permet également d’obtenir une couche de silice amorphe qui limite la pénétration du carbone dans les joints de grains de l'alliage. Cette couche de silice a l’avantage d’être plus stable chimiquement que la couche de chromine et sa présence apparaît indispensable afin d'assurer une bonne protection. En revanche, la couche non continue de cristobalite obtenue sur les alliages austénitiques n'apparaît pas comme étant aussi protectrice que la silice amorphe.

Splat solidification in thermal sprayed coatings relies on phenomena of various origins, time constants, and dimensional scales which altogether lead to complex residual stress states. As a result, in-service performance may be under or overestimated. Hence, this work aims at characterizing residual stress fields using high resolution instruments: a Raman spectrometer and a tailor-made Near-Field Scanning Microwave Microscope (NFSMM). Investigation areas are of 1 µm and 0.020 µm diameter respectively, both techniques are non-destructive and rely on electromagnetic interaction with matter.A preliminary study was conducted on sintered trigonal Cr2O3 with NFSMM as the technique is used for the first time on a ceramic material. Electromagnetic response was analyzed regarding both signal and phase outcomes, as well as discussed in terms of depth of investigation and dispersion.Results obtained from plasma sprayed trigonal Cr2O3 on steel substrate are then presented. NFSMM mapping reveal some uniaxial gradients or/and patterns between frequencies, none of which are observed on Raman spectroscopy mapping. Through thickness results are discussed in comparison with Incremental Hole Drilling (IHD) investigation and results from the preliminary study: response from 4.5 to 10.5 GHz in terms of stress measurement is questioned. Mapping from Raman spectrometry exhibits randomly arranged stress levels which are relatively well balanced around a compressive stress state (- 180 MPa) and which dispersion is similar between coatings. This is consistent with literature and the fact that coatings exhibit high hardness values. IHD results mostly indicate compressive stress levels within the coatings whereas XRD reveals tensile stress (superior to 100 MPa). All results are discussed in terms of uncertainty, depth of investigation, and physical principle of measurement.Regarding unexpected results from NFSMM further methodological and theoretical work was engaged questioning our analysis technique and revealing magnetic organization carried by Cr3+ ions is very likely to influence electromagnetic response at microwave frequencies., Lors de leur réalisation, les revêtements projetés sont soumis à une multitude de phénomènes de différentes origines mêlant diverses échelles de temps et d’espace. Il en résulte des champs de contraintes relativement difficiles à appréhender, et donc des comportements en service inattendus. Ces travaux de thèse visent donc la caractérisation de champs de contraintes par des méthodes récentes de hautes résolutions spatiales : un spectromètre Raman et un Microscope Micro-ondes de champ proche. La dernière technique est en cours de développement. Les surfaces investiguées sont respectivement de 1 µm et de 0.020 µm de diamètre. Les deux techniques reposent sur l’interaction de la matière avec une onde électromagnétique et sont non-destructives.Une étude préliminaire est dédiée à l’étude de la réponse micro-ondes du Cr2O3 trigonal puisque la technique de microscopie est utilisée pour la première fois sur une céramique. Les mesures d’amplitude et de phase sont discutées vis-à-vis de la dispersion sur la mesure et de la profondeur d’investigation.L’étude des revêtements projetés concernent des dépôts de Cr2O3 trigonal sur substrat en acier. Les cartographies réalisées par microscopie micro-ondes révèlent des motifs qui se répètent sur certaines fréquences, voire des gradients uni-axiaux toujours dans la même direction. Les cartographies Raman ne révèlent aucun des motifs observés par la microscopie micro-ondes. Les résultats micro-ondes sont également comparés à ceux du perçage incrémental et à ceux précédemment obtenus sur les échantillons frittés : la sensibilité des réponses obtenues entre 4.5 et 10.5 GHz sont remises en question. Les cartographies Raman révèlent un arrangement aléatoires entre contraintes de traction et compression dont la valeur moyenne est en compression (-180 MPa), et dont la dispersion autour de la moyenne est similaire entre les échantillons. Ces résultats sont en accord avec la littérature, d’autant plus que nos revêtements sont particulièrement durs. Les résultats du perçage incrémental rendent compte d’un revêtement majoritairement en compression, tandis que la DRX met en évidence un état de traction à la surface (plus de 100 MPa). Les résultats sont discutés vis-à-vis des incertitudes, de la profondeur d’investigation et des principes physique de mesure.Concernant les résultats plus tôt remis en question de la microscopie micro-ondes, un travail de méthodologie et de théorie a été entrepris afin de requestionner notre méthode de mesure. Il s’avère que l’ordre magnétique du matériau porté par les ions Cr3+ est très susceptible d’influencer la réponse micro-ondes.

The current industrial context requires the optimization of production resources, particularly raw materials and energy consumption. This commitment does not only meet the criteria of competitiveness related to production costs but also to the environmental impact of the overall manufacturing process. To solve this problem, is required a mode to define optimization strategies through a complete forming process during a mechanical part manufacturing.Most behavior laws used for metals, dedicated to perform simulations of forming and machining processes are characterized by an isotropic behavior. These models are effective in predicting the behavior under proportional loading, but by definition cannot consider the anisotropy developed during work hardening. This limitation makes it impossible to take to consider the interaction effects between the different stages of the manufacturing process. This work goes through the phenomenological behavior laws capable of modeling this phenomenon, in order to obtain an accurate model of the overall process. Knowing that the modeling of each process stage requires a solver and specific definitions, a methodology as well as numerical tools necessary to manage the hardening variables along the process have been developed. This methodology allows a traceability of the values of hardening variables throughout the simulation of the process, dividing the global simulation, admitting the use of different solvers or software.This work explores the profile estimation obtained with destructive residual stresses measurement methods in order to compare simulation results with experiments. A new methodology using inverse analysis is developed and implemented. From numerical generated data, the new method is applied and compared with two destructive reference methods. The results in this application show, a decrease in both the error and the uncertainty level., Le contexte industriel actuel impose l’optimisation des ressources de production, notamment des matières premières et de l’énergie consommée. Cet engagement ne répond pas seulement aux critères de compétitivité liés aux coûts de production mais aussi à l’impact environnemental du processus global de fabrication. Pour répondre à ce problème, il est nécessaire de disposer de modèles pour définir des stratégies d'optimisation efficientes tout au long du processus complet de mise en forme d'une pièce mécanique.La plupart des lois de comportement habituellement utilisées pour modéliser le comportement des matériaux métalliques dans les procédés de transformation, sont caractérisées par un comportement isotrope. Ces modèles sont efficaces pour prédire le comportement d’un procédé sous chargement proportionnel, mais par définition ne peuvent pas prendre en compte l’anisotropie développée durant l’écrouissage. Cette caractéristique ne permet pas de prendre en compte les effets de l’interaction entre les différents procédés constitutifs du processus. Ce travail explore les lois de comportement phénoménologiques capables de modéliser ce phénomène afin d’obtenir un modèle précis du processus global. Sachant que la modélisation de chaque procédé nécessite un solveur et des mises en œuvre particulières, une méthodologie de travail ainsi que les outils numériques nécessaires pour gérer les variables d’état du processus ont été développés. Cette méthodologie permet un suivi des valeurs de variables d’écrouissage tout au long de la simulation du processus.Ce travail explore également des l'estimation du profil des contraintes résiduelles obtenu par des méthodes de mesure destructives afin en confrontant les résultats de simulations avec des données expérimentales. Une nouvelle méthodologie basée sur l’analyse inverse est développée et mise en œuvre. La nouvelle méthode est comparée avec les résultats obtenus avec deux méthodes destructives de référence. Les résultats obtenus dans cette application montrent une diminution à la fois de l'erreur et du niveau d'incertitude.

Additive manufacturing, in addition to traditional manufacturing processes, consists of adding material, layer by layer,to build mechanical parts. Among the various existing additive manufacturing processes, this thesis focuses on the Wire and Arc Additive Manufacturing process (WAAM). This process is based on welding technologies to manufacture parts by successive stacks of weld beads. Compared to other additive processes, its implementation is cheaper and welding professionals have an expert knowledge of this process. The filler metal consists in a metal wire melted with an electric arc delivered by a GMAW (Gaz Metal Arc Welding) welding torch operating under CMT (Cold Metal Transfer) mode. The welding torch is mounted on a multi-axis robotic arm which executes the deposit trajectories. This type of configuration does not constrain the size of the parts, which is a real advantage for building large parts like in the aeronautics sector. However, WAAM presents a major technological issue which currently limits its implementation on production lines. Indeed, the melting of the metal generates successive expansions and contractions of the material which generate residual stresses and deformations in the final part. The first objective of this thesis is to understand the generation of these residual stresses and deformations during the process by a numerical approach coupled with an experimental approach. For this, a specific experimental setup is studied. It consists of depositing the melted filler wire on the thickness of a plate held vertically along its length. The specimen is clamped on one side while the others are totally free in order to minimiez the clamping effect. According to this setup, the thermomechanical model is two-dimensional and solved under plane stress assumption. The addition of material is taken into account during the deposition process with a suitable mesh method. The numerical results are compared to experimental data recorded in-situ or ex-situ in order to validate the model. The other objective of this thesis is to highlight the influence of process parameters on the thermomechanical behavior of manufactured parts. Then, three different sets of process parameters are defined based on the linear welding energy. The numerically and experimentally results, are discussed for both thermal and mechanical fields,. Finally, the last objective of this thesis is to implement an Inherent Strain model which allows to quickly estimate the levels of residual stresses and deformations for any 3D structure according to the process parameters used. Thus, an analysis of the plastic strains calculated with the thermomechanical simulation is done. Afterwards, the plastic strain fields are introduced as input data in a Inherent Strain model for the investigated case. The residual stress field as well as the global deformation of the part obtained with the Inherent Strain model are compared to the one computed with the thermomechanical model and discussed.; La fabrication additive, en complément des techniques de fabrication traditionnelles, procède par ajout de matière pour la construction de pièces mécaniques. Parmi les différents procédés de fabrication additive existant, cette thèse s’intéresse tout particulièrement au procédé de fabrication additive arc métal désigné également par l’acronyme anglais WAAM qui signifie Wire Arc additive Manufacturing. Celui-ci se base sur les technologies du soudage pour fabriquer des pièces par empilements successifs de cordons de soudure. Sa mise en œuvre est donc peu coûteuse et déjà bien maîtrisée dans le domaine du soudage industriel. Le métal d’apport se présente sous forme de fil métallique et est fondu par un arc électrique délivré par une torche de soudage GMAW (Gaz Metal Arc Welding) avec un mode de transfert CMT (Cold Metal Transfer). Cette dernière est montée sur un bras robotisé multi axes qui exécute les trajectoires de dépôt. Ce type de configuration ne contraint pas la taille des pièces à fabriquer, ce qui représente un véritable atout pour la fabrication de pièces de grandes dimensions comme c’est le cas dans le secteur de l’aéronautique. Le WAAM présente cependant un verrou technologique majeur qui limite actuellement son implémentation sur les chaîne de production. En effet, la mise en fusion du métal génère des dilatations et contractions successives du métal qui engendrent la formation de contraintes résiduelles et de déformations dans la pièce finale. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre la génération de ces contraintes résiduelles et de ces déformations au cours du procédé par une approche numérique couplée à une approche expérimentale. Pour cela, une configuration de dépôt spécifique est étudiée. Cette dernière consiste à déposer un cordon sur l’épaisseur d’une plaque maintenue uniquement sur l’une de ses extrémités. En laissant les autres bords libres les contraintes liées au bridage sont peu influentes. Compte-tenu de cette configuration, le modèle thermomécanique mis en place est bidimensionnel et il est traité sous l’hypothèse des contraintes planes. L’ajout de matière est considéré au fur et à mesure de la construction du cordon avec une méthode de maillage adaptée. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales relevées en cours de procédé ou en post-procédé afin de discuter la validité du modèle. L’autre objectif de cette thèse est de mettre en évidence l’influence des paramètres procédé sur le comportement thermomécanique des pièces fabriquées. Pour cela, trois jeux différents de paramètres procédés sont définis en fonction de l’énergie linéique de dépôt mise en jeu. Les différences et similitudes constatées numériquement et expérimentalement, aussi bien au niveau des champs thermiques que des champs mécaniques, sont discutées. Enfin, le dernier objectif de cette thèse est de construire un modèle de Déformations Inhérentes qui permette d’estimer rapidement les niveaux de contraintes résiduelles et de déformations pour n’importe quelle structure 3D réalisée avec des paramètres procédés déterminés. Pour cela, une analyse des déformations plastiques obtenues avec la modélisation thermomécanique est réalisée. Ces dernières sont ensuite implémentées comme données d’entrée dans un modèle de Déformations Inhérentes avec la configuration étudiée. La répartition et les niveaux des contraintes résiduelles ainsi que la déformée globale de la pièce obtenus pour le modèle thermomécanique et le modèle de Déformations Inhérentes sont comparés et discutés.

Dans cette présentation générale, je passe en revue l'ensemble des travaux, que j'ai menés depuis la fin de mon doctorat, pour donner un aperçu de la diversité des sujets et des approches utilisées (méthodes inverses, calculs analytiques, optimisations numériques, thermodynamique et approches énergétiques, statistiques Bayésiennes etc.). Par ailleurs, j'essaie de mettre en valeur et de rendre claire la structure globale, qui donne une cohérence à cet ensemble de travaux. En effet, l'ambition de ce mémoire n'est pas de détailler un domaine particulier, avec une longue présentation pédagogique de l'état de l'art. Je vise d'avantage à donner à voir, de manière synthétique et organisée, le cheminement de mon parcours de recherche et ma volonté d'aborder des sujets variés avec un regard que j'espère original, mais parfois naïf aussi probablement. Les enjeux de recherche, les idées principales et les méthodes seront évoqués, ainsi que les résultats intéressants. En revanche, compte tenu du caractère synthétique de cette présentation, je ne détaillerai pas les calculs théoriques de chacun des sujets. Pour cela, le lecteur pourra se reporter aux articles publiés. Par ailleurs, pour faciliter la lecture, les références sont triées par chapitre et séparées selon que j'en suis co-auteur ou non. Mes travaux sont principalement axés sur l'évaluation des contraintes résiduelles et de l'évolution de la microstructure dans les métaux (et plus particulièrement les aciers) à l'issue de différents procédés de mise en forme ou de fabrication. Mes recherches visent donc à offrir des outils pour une meilleure compréhension des conditions essentielles dans lesquelles se forment les contraintes résiduelles et les microstructures qui sous-tendent très largement le comportement macroscopique des matériaux. Ce cadre général se décline en différents axes~: (axe~1) méthodes inverses en temps réel (pour l'estimation de conditions inaccessibles dans des procédés), (axe~2) simulations rapides des procédés en considérant de nombreux couplages (mécanique, thermique, transition de phase, contacts mécaniques, etc.) et (axe~3) modèles théoriques macroscopiques conservant des informations provenant de la microstructure (transformations de phase, recristallisation, croissance de grain etc.). Cela permet d'intégrer, au niveau macroscopique, des phénomènes traversant les échelles (atomique, polycristalline et milieu continu). Par exemple, ces modèles cherchent à conserver à l'échelle du milieu continu, l'évolution statistique de la microstructure (arrangement cristallin, désorientation entre les grains, morphologie). Un quatrième axe s'ajoute à cette perspective globale : (axe~4) caractérisation des matériaux en dynamique, incluant les sources d'incertitudes.La conclusion de ce mémoire sera l'occasion de détailler mon projet de recherche pour les années à venir.

International audience; Le dimensionnement standard des ressortss’appuie sur une hypothèse d’absence de contraintes résiduellesdans le fil. Cette hypothèse peut être assez forte pour les fils de faibles dimensions qui subissent un importanttréfilage lors de leur fabrication. L’objectif principal de ce travail est de concevoir et d’éprouver une méthode de caractérisation des contraintes résiduelles dans les fils tréfilés de faible diamètre. Le principe de base consistant à enlever une partie de matière puis à mesurer les déplacements associés a été simulé par éléments-finis puis expérimenté en situationréelle. Les premiers résultats sont encourageants et semblent montrer que les contraintes résiduelles dans le fil étudié sont significatives et justifient nos investigations

In the current industrial context, aerospace players seek to achieve a high level of performance for the mechanical resistance of critical components, while reducing production costs. This industry was one of the first to consider the control of manufacturing processes as a privileged axis of its research, since the consequences of in-service fatigue failure can be economically and humanly disastrous. Among the various existing processes, machining still represents a large part of the manufactured critical components obtained by roughing and finishing operations. Drilling remains the most common machining operation used in industry, but also one of the least studied due to the machined geometrical shape. Indeed, the creation of cylindrical holes prevents direct observation of the cutting mechanisms, making it difficult to study the thermomechanical phenomena involved in the drilled hole. In an industrial environment, dry drilling operation is very detrimental to the tool and the material because it results in a significant lack of lubrication, caused by a machining hazard. In this configuration, heat transfers play a crucial role in the generation of residual stresses. The development of an original experimental and numerical strategy made it possible to identify and modeling the thermomechanical phenomena involved in dry drilling of Inconel 718. Thus, residual stresses induced in the hole could be modeled and compared to XRD analyses., Dans le contexte industriel actuel, les acteurs du secteur aéronautique et spatial cherchent à atteindre un haut niveau de performance pour la tenue en fatigue de pièces jugées critiques, tout en réduisant les dépenses associées à leur production. Cette industrie a été l’une des premières à faire de la maîtrise des procédés de fabrication un axe privilégié de sa recherche, car les conséquences de la rupture d’un composant en service peuvent être désastreuses, tant sur le plan économique que sur le plan humain. Parmi les différents procédés existants, l’usinage représente encore aujourd’hui une grande part dans la fabrication des pièces critiques en ébauche et en finition. À ce jour, le perçage demeure l’opération d’usinage la plus répandue dans l’industrie, mais reste une des moins étudiées en raison de la forme géométrique réalisée. En effet, la création de trous cylindriques empêche toute observation directe des mécanismes de coupe, rendant très complexe l’étude des phénomènes thermomécaniques mis en jeu à l’échelle du trou percé. En contexte industriel, l’opération de perçage à sec est d’autant plus pénalisante pour l’outil et la matière puisqu’elle résulte d’une absence significative de lubrification, causée par un aléa d’usinage. Dans une telle configuration, les transferts de chaleur jouent un rôle déterminant dans la génération des contraintes résiduelles. Le développement d’une stratégie originale, expérimentale et numérique, a permis d’identifier et de modéliser les phénomènes thermomécaniques mis en jeu lors du perçage à sec de l’Inconel 718. Ainsi, les contraintes résiduelles induites au niveau de la surface du trou ont pu être modélisées et confrontées à des analyses expérimentales par DRX.

Laser Shock Peening (LSP) is a surface treatment process used mainly in the aeronautical, naval and nuclear fields in order to strengthen used metals, extend their lifetime and thus lighten the whole structures. This key issue of metal reinforcement has been studied since the 1970s, and functional industrial configurations have been effective for more than 20 years. In this thesis, we wished to study with more accuracy the interaction between the laser and the matter (in its fourth state, called a plasma), in the water confinement regime. Especially, this study was carried out for submillimetre laser spots, with the aim of being able to address new issues: treatment of sheltered areas, beam transportation through optical fibre and development of a high-repetition rate configuration without using a thermal protective coating. To answer these needs identified in the ANR Forge Laser project and by exploiting the recent developments achieved by Thales regarding diode-pumped solid-state lasers (DPSS) with the THEIA system (200 Hz, 10 ns, 1 J), we have implemented and studied a new platform to perform LSP treatments.On the first hand, the work of this thesis aims at demonstrating the interest of submillimetre spots through the experimental and theoretical study of laser-matter interaction; new models have been developed to reproduce experimental results obtained, namely a faster plasma release at small laser spots, and thus a reduced thermal loading. On the other hand, we investigate the behaviour of the water confinement used both under a high repetition rate configuration and under a new (patented) configuration allowing to increase the breakdown threshold inside the water, and thus the maximum pressure generated by the plasma on the target. Finally, we are using these results to unlock current limits and to carry out a LSP treatment without any thermal coating and at a high repetition rate. The used materials are aluminium alloy 2024 and titanium alloy Ti-6AL4V. These treatments have been analysed by X-ray diffraction both in laboratory and in large instruments (Diamond synchrotron), hence allowing conclusions to be drawn regarding the best process parameters to be used for this new configuration., Le grenaillage laser (LSP – Laser Shock Peening) est un procédé de traitement de surface utilisé principalement dans les domaines aéronautique, naval et nucléaire afin de renforcer les métaux utilisés, prolonger leur durée de vie et in fine alléger les structures obtenues. Cette problématique clef de renforcement des métaux est étudiée depuis les années 1970, et des configurations industrielles fonctionnelles sont effectives depuis 20 ans. Dans le cadre de cette thèse, nous avons souhaité étudier plus finement l’interaction entre le laser de puissance et la matière sous sa quatrième forme (plasma), dans le régime de confinement eau. En particulier, cette étude a été menée pour les taches laser submillimétriques, avec comme objectif de pouvoir adresser de nouvelles problématiques : traitement de zones claustrées, transport du faisceau laser par fibre optique et développement d’une configuration haute cadence sans revêtement de protection thermique. Face à ces besoins identifiés dans le projet ANR Forge Laser et conjointement aux développements récents atteints par Thales concernant les lasers solides de puissance pompés par diodes (DPSS – Diode Pumped Solide State) avec le système THEIA (200 Hz, 10 ns, 1 J), nous avons mis en œuvre et caractérisé une nouvelle plateforme de traitements par grenaillage laser.Dans un premier temps, les travaux de cette thèse visent à démontrer l’intérêt des taches submillimétriques à travers l’étude expérimentale et théorique de l’interaction laser matière ; de nouveaux modèles ont été développés pour traduire les résultats expérimentaux obtenus, à savoir une détente du plasma plus rapide aux petites taches, et donc une charge thermique réduite. Dans un second temps, nous nous intéressons au comportement de l’eau de confinement à la fois sous un régime haute cadence, et à la fois sous une nouvelle configuration brevetée permettant d’augmenter le seuil de claquage, et donc la pression maximale générée par le plasma sur la cible à renforcer. Enfin, nous mettons en œuvre ces résultats pour débloquer les verrous actuels et réaliser un traitement par grenaillage laser sans revêtement thermique et à haute cadence. Les matériaux d’intérêts concernent l’alliage 2024 d’aluminium et l’alliage Ti-6AL4V de titane. Ces traitements ont été caractérisés par diffraction de Rayons X à la fois en laboratoire et sur grands instruments (synchrotron Diamond), et permettent de conclure quant aux paramètres procédés à utiliser pour cette nouvelle configuration.

The transportation industry is constantly looking for ways to make its structures stronger while reducing their weight to minimize their environmental footprint or for economic purposes. In this context, combining aluminum alloys, which have an excellent weight-strength ratio, with innovative assembly processes is of great interest. Friction Stir Welding (FSW) is one of these innovative joining processes. In particular, it allows the welding of aluminum alloy sheets with a low weldability index and in similar or dissimilar configurations. Several FSW configurations have been investigated in the literature, but the FSW 2024-T3/2198-T8 configuration, which is very attractive to the aerospace industry, has never been studied. In this study, an experimental analysis of this welding configuration is proposed for the first time. The influence of the evolution of the advancing speed Va and the rotation speed Vr of the tool on the evolution of the welding joint characteristics is quantified. In the chosen process window, the thermal evolution is mainly influenced by the advancing speed Va while the speed ratio R = Va/Vr is a good indicator of the weld appearance, defect formation and tensile performance. The hardness field, the residual stresses, the distortions and the corrosion resistance of the welded assemblies are little influenced by the evolution of the welding speeds. This work has allowed to document the formation of internal defects within the welds, but also to highlight the relationship between welding speeds and tensile performances and finally to propose a hypothesis: the presence of a cathodic protection phenomenon within the welds., L’industrie des transports cherche constamment à rendre ses structures plus résistantes tout en réduisant leur poids pour minimiser leur empreinte environnementale ou bien dans un but économique. Dans ce contexte, associer les alliages d’aluminium, possédant un excellent ratio poids-résistance mécanique, à des procédés d’assemblage innovants présente un très fort intérêt. Le soudage par friction malaxage (Friction Stir Welding – FSW) est un de ces procédés d’assemblage innovants. Il permet notamment de souder des tôles d’alliage d’aluminium de nuances réputées à faible indice de soudabilité et dans des configurations similaires ou dissimilaires. Plusieurs configurations de soudage FSW ont été investiguées dans la littérature, mais la configuration FSW 2024-T3/2198-T8, très attrayante pour l’industrie aéronautique, n’a jamais été étudiée. Dans cette étude, une analyse expérimentale de cette configuration de soudage est proposée pour la première fois. L’influence de l’évolution des vitesses d’avance Va et de rotation Vr de l’outil sur l’évolution des caractéristiques des soudures est quantifiée. Dans la fenêtre process choisie, l’évolution de la thermique est principalement influencée par celle de la vitesse d’avance Va tandis que le ratio de vitesses R = Va/Vr est un bon indicateur de la physionomie des soudures, de la formation des défauts et des performances en traction. Le champ de dureté, les contraintes résiduelles, les distorsions et la tenue en corrosion des assemblages soudés sont quant à eux peu influencés par l’évolution des vitesses de soudage. Ces travaux ont permis de documenter la formation de défauts internes au sein des soudures, mais aussi de mettre en évidence la relation entre vitesses de soudage et performances en traction et enfin de proposer une hypothèse : la présence d’un phénomène de protection cathodique au sein des soudures.

Computer simulation is acknowledged as the third branch of Science. From the seminal work of Turner et al. (1956) [on Finite Elements, impressive improvements have been made in terms of software and hardware, so that, nowadays, there is no engineering device (in the broad sense of the word) that is not subjected to any kind of simulation. However, in the same way as there is a gap between theory and practice, at an industrial level there are still problems where, at the moment, numerical simulations are not used and instead, a hand-craft approach is applied. The mitigation of distortion in large aluminium forgings is one of these problems. Post-machining distortion is an open problem that affects every single large thickwalled aluminium forging assembled on an aircraft. The origin of distortion is the presence of residual stresses (RS) developed along the manufacturing chain, especially after the heat treatment of quenching. When machining takes places, it causes a redistribution at an internal level as the previous equilibrium state is broken by the material removal action. At a theoretical level, if the RS in a part are known in advance, a proper machining sequence could be planned with the aim to mitigate or counteract a warped geometry. This strategy is already implemented for parts machined from rolled plates, where RS can be considered as constant along the longitudinal direction. However, for forgings, RS are a function of the geometry and, as a result, a complex three-dimensional stress field is present. Important research efforts are done in order to predict RS numerically for forgings but still, the deterministic nature of numerical simulations are not able to capture the variable behaviour of distortions. At the moment, the current research direction looks at the distortion problem as something to avoid upwards in the manufacturing chain, it means, focusing the efforts in the steps before or during machining at latest. In the present thesis, we opted to follow the opposite direction, which means, how to proceed and handle distortion once it has arisen. To perform this task, the problem was first studied by conventional Finite Element Method (FEM), and then, by applying a non-intrusive Model Order Reduction (ROM) technique called Sparse Subspace Learning (SSL). The content of this thesis is structured as follows. In chapter 1 we introduce the distortion problem, followed by the definition and interconnection of the three main actors: residual stresses, distortion and reshaping. Then, a review of the available reshaping techniques is provided and finally, the challenges and perspectives for reshaping simulation are discussed. Chapter 2 presents two numerical models devoted to determine the residual stresses after quenching and plastic bending, respectively as the heat treatment is considered as the main source of residual stresses in aluminium forgings and the latter corresponds to the selected reshaping operation to be studied in this thesis. After its validation, both models are applied in the following chapters and they provide the reference solution to our problem. In chapter 3, we introduce the reshaping diagrams as a tool to assist the bending straightening operation. In addition, the residual stress free hypothesis is presented as an alternative to study the reshaping problem. This approach uses the distorted geometry as the main input to simulate the reshaping step by considering the part without residual stresses. Then, in chapter 4, a multiparametric study of bending straightening is provided with the aid of the SSL, so that the reshaping diagrams can be generalized for a previously defined set of parameters. Finally, as reshaping is an iterative and sequential procedure, in chapter 5, two consecutive bending straightening operations are simulated. Different reshaping strategies are studied and a methodology is provided to tackle in a more systematic way the open problem of reshaping. Las distorsiones después del mecanizado de grandes piezas de aluminio son un problema recurrente para la industria aeronáutica. Estas desviaciones de la geometría de diseño se deben a la presencia de tensiones residuales, que se desarrollan a lo largo de la cadena de fabricación, especialmente después del tratamiento térmico de temple. Para restablecer la geometría nominal, es necesario realizar una serie de operaciones de remodelación muy manuales y que requieren mucho tiempo. El presente trabajo de investigación se centra en el desarrollo de herramientas eficaces de simulación numérica para ayudar a los operadores en el enderezamiento por flexión, que es una de las operaciones de remodelación más comunes. Para ello, se desarrolla un modelo de simulación de elementos finitos representativo de la cadena de fabricación, incluyendo el temple, el mecanizado y la remodelación, que permite predecir las tensiones y distorsiones residuales en piezas forjadas de aluminio de paredes gruesas. El modelo se valida con los datos experimentales que se encuentran en la literatura. A continuación, se introduce el concepto de diagramas de remodelación, una herramienta que permite seleccionar una carga de flexión casi óptima para minimizar la distorsión. Se muestra que el diagrama de remodelación no necesita tener en cuenta el campo de tensión residual, ya que su único efecto es desfasar horizontalmente el diagrama de remodelación por una cierta distancia. Por lo tanto, el comportamiento general que incluye un campo de tensión residual tridimensional real en una pieza forjada puede recuperarse desplazando el diagrama de remodelación libre de tensión residual por el desfase apropiado. Por último, se propone una estrategia para identificar el desfase sobre la marcha durante la operación de remodelación utilizando medidas sencillas de fuerza-desplazamiento. A continuación, se explora el uso de nuevas técnicas numéricas, especialmente la reducción del orden del modelo (MOR), con un doble propósito: i) acelerar el cálculo de los diagramas de remodelación; y ii) tener en cuenta varios parámetros del proceso, como la distorsión inicial o la configuración de la remodelación. Para ello, nos basamos en el método de Sparse Subspace Learning (SSL), un método MOR no intrusivo que permite reconstruir el espacio de solución directamente a partir de los resultados del modelo de elementos finitos. Con la solución paramétrica a mano, se puede encontrar la configuración óptima de remodelación en tiempo real, para minimizar la distorsión antes de lanzar la operación de remodelación real. Por último, se propone los primeros pasos hacia la ampliación de la metodología anterior, que combina los diagramas de remodelación y los métodos MOR, a un entorno multietapa en el que se realizan varias operaciones de corrección de la forma de manera secuencial. La simulation numérique est reconnue comme étant la troisième branche de la science. À partir des travaux fondateurs de Turner et al. (1956) sur les éléments finis, des améliorations impressionnantes ont été apportées en termes de software et de hardware, de sorte qu’aujourd’hui, il n’existe plus aucun dispositif d’ingénierie (au sens large du terme) qui ne soit pas transcrit par une quelconque simulation.Cependant, tout comme il existe un fossé entre théorie et pratique, il existe encore des problèmes au niveau industriel où, pour le moment, les simulations numériques n’ont pas encore pris la place des approches artisanales. L’atténuation de la distorsion dans les grandes pièces forgées en aluminium est l’un des exemples.La distorsion post-usinage est un problème ouvert qui affecte chaque grande pièce forgée en aluminium à paroi épaisse assemblée sur un avion. Cette distorsion provient de la présence de contraintes résiduelles (RS) développées tout au long de la chaine de fabrication, en particulier après traitement thermique par trempe.Lorsque l’usinage a lieu, il provoque une redistribution à un niveau interne car l´état d’équilibre précédent est rompu par l’action d’enlèvement de matière. Au niveau théorique, si les RS d’une pièce sont connues à l’avance, une séquence d’usinage appropriée pourrait être planifiée dans le but d’atténuer ou de contrecarrer une géométrie déformée. Cette stratégie est déjà mise en œuvre pour les pièces usinées à partir de tôles laminées, où la RS peut être considérée comme constante dans la direction longitudinale. Cependant, pour les pièces forgées, les RS sont fonction de la géométrie et, par conséquent, un champ de contrainte tridimensionnel complexe est présent. D’importants efforts de recherche sont réalisés afin de prédire numériquement les RS pour les pièces forgées, mais la nature déterministe des simulations numériques ne permet toujours pas de saisir le comportement variable des déformations. Pour l’instant, l’orientation actuelle de la recherche considère le problème des distorsions comme quelque chose à éviter depuis le début de la chaine de fabrication, c’est-à-dire en concentrant les efforts dans les étapes précédentes, où au plus tard pendant l’usinage. Dans la présente thèse, nous avons choisi de suivre la direction opposée, c’est-à-dire comment procéder et gérer la distorsion une fois qu’elle est apparue. Pour réaliser cette tâche, le problème a d’abord été étudié par la méthode classique des éléments finis (FEM), et par la suite en appliquant une technique non intrusive de réduction de l’ordre des modèles (ROM) appelée ”Sparse Subspace Learning” (SSL).Le contenu de cette thèse est structuré comme suit. Dans le chapitre 1 le problème de la distorsion sera introduit, suivi de la définition et de l’interconnexion des trois acteurs principaux : les contraintes résiduelles, la distorsion et le redressage. Les techniques de redressage seront ensuite passées en revue pour finalement examiner les défis et les perspectives de la simulation du redressage. Le chapitre 2 présente deux modèles numériques consacres à la détermination des contraintes résiduelles après la trempe et le pliage plastique, le traitement thermique étant considéré comme la principale source de contraintes résiduelles dans les pièces forgées en aluminium. C’est dans ce cadre (origine majoritairement thermique des contraintes résiduelles) que sera étudiée l’opération de redressage sélectionnée dans cette thèse.Après leurs validations, les deux modèles sont appliqués dans les chapitres suivants où ils constitueront la solution de référence du problème. Dans le chapitre 3, les diagrammes de mise en forme sont présentés comme un outil d’aide à l’opération de redressement par flexion. En outre, l’hypothèse reste sans contrainte résiduelle est présentée comme une alternative pour étudier le problème de redressage. Cette approche utilise la géométrie déformée comme entrée principale permettant de simuler l’étape de redressage en considérant la pièce sans contraintes résiduelles. Le chapitre 4 montrera une étude multiparamétrique du redressement par flexion à l’aide du SSL.Les diagrammes de redressage seront généralisés pour un ensemble de paramètres préalablement définis. Le redressage étant une procédure itérative et séquentielle, le chapitre 5 explicitera la simulation de deux opérations consécutives de redressement par flexion. Différentes stratégies de redressage seront étudiées, et une méthodologie sera fournie pour aborder de manière plus systématique le problème ouvert du redressage. Erasmus Mundus en simulació en enginyeria i desenvolupament de l'emprenedoria

When machining a thin workpiece, distortions may arise, during finishing operations, due to various phenomena. These phenomena are not yet considered to determine tool trajectories. Therefore, an expensive iterative approach is used to manufacture certain high-added value aeronautic parts. This research work is part of a project aiming at improving the machining process simulation by taking these phenomena into account.The case study is the finish turning of thin Inconel 718 workpieces using a coated carbide profiling tool. The surface integrity and cutting forces evolution are characterized and modelled during tool life. Cutting forces are modeled considering tool wear effect. Then, an experimental methodology allows demonstrating the significant effect of machining-induced residual stresses on distortion. Finally, modelling and compensating strategies are developed to deal with the undercut related to workpiece elastic deformation under cutting forces.; Dans le cas de l’usinage d’une pièce mince, des distorsions peuvent apparaitre pendant les étapes de finition sous l’effet de plusieurs phénomènes. Aujourd’hui, ces phénomènes ne sont pas pris en compte pendant le calcul de la trajectoire de l’outil. Ainsi, le processus de fabrication de certaines pièces aéronautiques, à forte valeur ajoutée, nécessite une approche itérative coûteuse. Ces travaux sont réalisés dans le cadre d’un projet visant à améliorer les approches de simulation du procédé d’usinage afin de prendre en compte ces phénomènes dans la détermination des trajectoires d’usinage.Le cas d’étude est le tournage de finition sur des pièces minces en Inconel 718, avec un outil de contournage en carbure revêtu. Une caractérisation et une modélisation de l’intégrité de surface, ainsi que de l’évolution des efforts de coupe, en fonction de l’usure de l’outil est développée. Une méthodologie expérimentale permet de démontrer l’influence non négligeable des contraintes résiduelles introduites pendant l’usinage sur les distorsions. Enfin, des stratégies de modélisation et de compensation du défaut lié à la déformation élastique de la pièce pendant l’usinage, sous l’effet des efforts de coupe, sont développées.

This thesis addresses the orbital drilling of AA2024-T351 aluminum alloy parts. This case study arose from an industrial problem encountered by various aircraft manufacturers who wish to integrate this process into their manufacturing processes. Despite the multiple advantages of orbital drilling compared to conventional axial drilling, there is still a very important technological barrier: the lower fatigue strength of drilled aluminum alloy parts. This is due to the non-optimization of residual stress levels within the boreholes produced by this process. There is currently no means of optimizing orbital drilling cutting parameters. The overall objective is to improve the fatigue life of drilled parts by introducing during drilling compressive residual stresses and strain-hardening, which are both beneficial to components fatigue life. The work presented in the thesis focuses firstly on the orbital drilling cutting parameters optimization, based on the specific cutting forces and energies minimization. An innovative mechanical surface treatment was introduced within the project: orbital deep rolling. Its characterization had been carried out using Finite Element Method. These models allowed to study further its parameters influence on boreholes surface integrity, particularly on residuals stress. A comparison with experimental results is achieved in order to validate the various numerical simulations implemented. Experimental characterization of the surface integrity of the boreholes performed with orbital drilling under optimized cutting conditions and with orbital deep rolling proved not only the feasibility of the orbital deep rolling process, but also compliance with aeronautical requirements. All this is completed by a fatigue life study of AA2024-T351 aluminum alloy drilled samples.; Ces travaux de thèse traitent du perçage orbital de pièces en alliage d'aluminium AA2024-T351. Ce cas d'étude est issu d'une problématique industrielle rencontrée par différents constructeurs aéronautiques qui souhaitent intégrer ce procédé dans leurs moyens de fabrication. Malgré les multiples avantages du perçage orbital par rapport au perçage axial conventionnel, il subsiste un véritable frein technologique très important : l'abaissement de la tenue en fatigue des pièces en alliage d'aluminium percées. Ceci résulte d'une non optimisation des niveaux des contraintes résiduelles au sein des alésages réalisés par ce procédé. Il n'existe à ce jour aucun moyen d'optimisation des paramètres de coupe du perçage orbital. L'objectif global de ces travaux est d'améliorer la durée de vie en fatigue des pièces percées en introduisant au cours de l'opération des contraintes résiduelles compressives et de l'écrouissage superficiel, tous deux bénéfiques pour la tenue en service des composants. Les travaux présentés se focalisent d'abord sur l'optimisation des paramètres de coupe du perçage orbital au sein de l'alliage d'aluminium AA2024-T351, optimisation menée sur la base de la minimisation des efforts et énergies spécifiques de coupe. Un traitement mécanique de surface novateur a également été introduit au sein du projet : le galetage orbital. La caractérisation de ce procédé a été réalisée au moyen de modèles Éléments Finis. Ces modèles ont permis a posteriori d'étudier l'influence des paramètres de ce procédé sur l'intégrité de surface de l'alésage, notamment sur la répartition des contraintes résiduelles. Une mise en parallèle avec les résultats expérimentaux est effectuée, afin de valider les différentes simulations numériques mises en œuvre. Une caractérisation expérimentale de l'intégrité de surface des alésages, réalisés par perçage orbital en conditions de coupe optimisées et par galetage orbital, ont démontré, non seulement, la faisabilité du procédé de galetage orbital, mais aussi le respect des exigences aéronautiques. L'étude de la tenue en fatigue d'éprouvettes en alliage d'aluminium AA2024-T351 percées ont complété cette caractérisation.

This thesis addresses the orbital drilling of AA2024-T351 aluminum alloy parts. This case study arose from an industrial problem encountered by various aircraft manufacturers who wish to integrate this process into their manufacturing processes. Despite the multiple advantages of orbital drilling compared to conventional axial drilling, there is still a very important technological barrier: the lower fatigue strength of drilled aluminum alloy parts. This is due to the non-optimization of residual stress levels within the boreholes produced by this process. There is currently no means of optimizing orbital drilling cutting parameters. The overall objective is to improve the fatigue life of drilled parts by introducing during drilling compressive residual stresses and strain-hardening, which are both beneficial to components fatigue life. The work presented in the thesis focuses firstly on the orbital drilling cutting parameters optimization, based on the specific cutting forces and energies minimization. An innovative mechanical surface treatment was introduced within the project: orbital deep rolling. Its characterization had been carried out using Finite Element Method. These models allowed to study further its parameters influence on boreholes surface integrity, particularly on residuals stress. A comparison with experimental results is achieved in order to validate the various numerical simulations implemented. Experimental characterization of the surface integrity of the boreholes performed with orbital drilling under optimized cutting conditions and with orbital deep rolling proved not only the feasibility of the orbital deep rolling process, but also compliance with aeronautical requirements. All this is completed by a fatigue life study of AA2024-T351 aluminum alloy drilled samples.; Ces travaux de thèse traitent du perçage orbital de pièces en alliage d'aluminium AA2024-T351. Ce cas d'étude est issu d'une problématique industrielle rencontrée par différents constructeurs aéronautiques qui souhaitent intégrer ce procédé dans leurs moyens de fabrication. Malgré les multiples avantages du perçage orbital par rapport au perçage axial conventionnel, il subsiste un véritable frein technologique très important : l'abaissement de la tenue en fatigue des pièces en alliage d'aluminium percées. Ceci résulte d'une non optimisation des niveaux des contraintes résiduelles au sein des alésages réalisés par ce procédé. Il n'existe à ce jour aucun moyen d'optimisation des paramètres de coupe du perçage orbital. L'objectif global de ces travaux est d'améliorer la durée de vie en fatigue des pièces percées en introduisant au cours de l'opération des contraintes résiduelles compressives et de l'écrouissage superficiel, tous deux bénéfiques pour la tenue en service des composants. Les travaux présentés se focalisent d'abord sur l'optimisation des paramètres de coupe du perçage orbital au sein de l'alliage d'aluminium AA2024-T351, optimisation menée sur la base de la minimisation des efforts et énergies spécifiques de coupe. Un traitement mécanique de surface novateur a également été introduit au sein du projet : le galetage orbital. La caractérisation de ce procédé a été réalisée au moyen de modèles Éléments Finis. Ces modèles ont permis a posteriori d'étudier l'influence des paramètres de ce procédé sur l'intégrité de surface de l'alésage, notamment sur la répartition des contraintes résiduelles. Une mise en parallèle avec les résultats expérimentaux est effectuée, afin de valider les différentes simulations numériques mises en œuvre. Une caractérisation expérimentale de l'intégrité de surface des alésages, réalisés par perçage orbital en conditions de coupe optimisées et par galetage orbital, ont démontré, non seulement, la faisabilité du procédé de galetage orbital, mais aussi le respect des exigences aéronautiques. L'étude de la tenue en fatigue d'éprouvettes en alliage d'aluminium AA2024-T351 percées ont complété cette caractérisation.

Cells are the basic units of all living organisms. Eukaryotic cells are stuctured on top of a scaffold of fibers ranging from stiff microtubules to semiflexible actin : the cytoskeleton. As such the cytoskeleton is involved into a broad family of processes of translocation and deformation of cells, it is also responsible for cells mechanical stiffness. The actin filaments into cytoskeleton can be cross-linked into bundles built of as much as 30 parallel filaments, but filaments can get bound at a finite angle also. These processes are in competition during network's self-assembly and result in strong residual stresses. In this thesis, we study the effect of these residual stresses on the elasticity of fiber networks in 2 dimensions of space. We develop an original method to compute stress on the boundaries of a network and its elastic moduli. We find that residual stress induces a stiffening in the infinitesimal response of the network. Residual stress also affects the non linear response of the network : we find that it makes the network unstable under compression, and that they control the onset of non linear response to shear.; Les cellules sont les unités fondamentales de tous les organismes vivants. Les cellules eukaryotes sont architecturées autour de fibres aussi diverses que les rigides microtubules et que l'actine semiflexible dans l'ensemble que forme le cytosquelette. C'est à ce titre que le cytosquelette est impliqué dans de nombreux les processus de déplacement et de déformation des cellules, il est aussi responsable de la rigidité mécanique des cellules. En son sein, les filaments d'actine peuvent être réticulés en fagots de plus de 30 filaments, mais aussi s'intersecter à des angles finis. Ces processus sont en compétition lors de l'auto-assemblage des réseaux d'actine, ce qui induit d'importantes contraintes résiduelles. Dans cette thèse, nous étudions l'effet des contraintes résiduelles sur l'élasticité des réseaux de fibres en 2 dimensions d'espace. Nous développons une méthode originale pour le calcul des contraintes au bord d'un réseau de fibres et ses modules élastiques. Nous trouvons que les contraintes résiduelles induisent une rigidification du réseau. Les contraintes résiduelles impactent aussi la réponse non linéaire du réseau : nous trouvons qu'elles rendent le réseau mécaniquement instable sous compression, qu'elles contrôlent la largeur domaine de réponse linéaire au cisaillement.

Cells are the basic units of all living organisms. Eukaryotic cells are stuctured on top of a scaffold of fibers ranging from stiff microtubules to semiflexible actin : the cytoskeleton. As such the cytoskeleton is involved into a broad family of processes of translocation and deformation of cells, it is also responsible for cells mechanical stiffness. The actin filaments into cytoskeleton can be cross-linked into bundles built of as much as 30 parallel filaments, but filaments can get bound at a finite angle also. These processes are in competition during network's self-assembly and result in strong residual stresses. In this thesis, we study the effect of these residual stresses on the elasticity of fiber networks in 2 dimensions of space. We develop an original method to compute stress on the boundaries of a network and its elastic moduli. We find that residual stress induces a stiffening in the infinitesimal response of the network. Residual stress also affects the non linear response of the network : we find that it makes the network unstable under compression, and that they control the onset of non linear response to shear.; Les cellules sont les unités fondamentales de tous les organismes vivants. Les cellules eukaryotes sont architecturées autour de fibres aussi diverses que les rigides microtubules et que l'actine semiflexible dans l'ensemble que forme le cytosquelette. C'est à ce titre que le cytosquelette est impliqué dans de nombreux les processus de déplacement et de déformation des cellules, il est aussi responsable de la rigidité mécanique des cellules. En son sein, les filaments d'actine peuvent être réticulés en fagots de plus de 30 filaments, mais aussi s'intersecter à des angles finis. Ces processus sont en compétition lors de l'auto-assemblage des réseaux d'actine, ce qui induit d'importantes contraintes résiduelles. Dans cette thèse, nous étudions l'effet des contraintes résiduelles sur l'élasticité des réseaux de fibres en 2 dimensions d'espace. Nous développons une méthode originale pour le calcul des contraintes au bord d'un réseau de fibres et ses modules élastiques. Nous trouvons que les contraintes résiduelles induisent une rigidification du réseau. Les contraintes résiduelles impactent aussi la réponse non linéaire du réseau : nous trouvons qu'elles rendent le réseau mécaniquement instable sous compression, qu'elles contrôlent la largeur domaine de réponse linéaire au cisaillement.

Vapor-based growth of thin metal films with controlled morphology on weakly-interacting substrates (WIS), including oxides and van der Waals materials, is essential for the fabrication of multifunctional metal contacts in a wide array of optoelectronic devices. Achieving this entails a great challenge, since weak film/substrate interactions yield a pronounced and uncontrolled 3D morphology. Moreover, the far-from-equilibrium nature of vapor-based film growth often leads to generation of mechanical stress, which may further compromise device reliability and functionality. The objectives of this thesis are related to metal film growth on WIS and seek to: (i) contribute to the understanding of atomic-scale processes that control film morphological evolution; (ii) elucidate the dynamic competition between nanoscale processes that govern film stress generation and evolution; and (iii) develop methodologies for manipulating and controlling nanoscale film morphology between 2D and 3D. Investigations focus on magnetron sputter-deposited Ag and Cu films on SiO2 and amorphous carbon (a-C) substrates. Research is conducted by strategically combining of in situ and real-time film growth monitoring, ex situ chemical and (micro)-structural analysis, optical modelling, and deterministic growth simulations. In the first part, the scaling behavior of characteristic morphological transition thicknesses (i.e., percolation and continuous film formation thickness) during growth of Ag and Cu films on a-C are established as function of deposition rate and temperature. These data are interpreted using a theoretical framework based on the droplet growth theory and the kinetic freezing model for island coalescence, from which the diffusion rates of film forming species during Ag and Cu growth are estimated. By combining experimental data with ab initio molecular dynamics simulations, diffusion of multiatomic clusters, rather than monomers, is identified as the rate-limiting structure-forming process. In the second part, the effect of minority metallic or gaseous species (Cu, N2, O2) on Ag film morphological evolution on SiO2 is studied. By employing in situ spectroscopic ellipsometry, it is found that addition of minority species at the film growth front promotes 2D morphology, but also yields an increased continuous-layer resistivity. Ex situ analyses show that 2D morphology is favored because minority species hinder the rate of coalescence completion. Hence, a novel growth manipulation strategy is compiled in which minority species are deployed with high temporal precision to selectively target specific film growth stages and achieve 2D morphology, while retaining opto-electronic properties of pure Ag films. In the third part, the evolution of stress during Ag and Cu film growth on a-C and its dependence on growth kinetics (as determined by deposition rate, substrate temperature) is systematically investigated. A general trend toward smaller compressive stress magnitudes with increasing temperature/deposition rate is found, related to increasing grain size/decreasing adatom diffusion length. Exception to this trend is found for Cu films, in which oxygen incorporation from the residual growth atmosphere at low deposition rates inhibits adatom diffusivity and decreases the magnitude of compressive stress. The effect of N2 on stress type and magnitude in Ag films is also studied. While Ag grown in N2-free atmosphere exhibits a typical compressive-tensile-compressive stress evolution as function of thickness, addition of a few percent of N2 yields to a stress turnaround from compressive to tensile stress after film continuity which is attributed to giant grain growth and film roughening. The overall results of the thesis provide the foundation to: (i) determine diffusion rates over a wide range of WIS film/substrates systems; (ii) design non-invasive strategies for multifunctional contacts in optoelectronic devices; (iii) complete important missing pieces in the fundamental understanding of stress, which can be used to expand theoretical descriptions for predicting and tuning stress magnitude. La morphologie de films minces métalliques polycristallins élaborés par condensation d’une phase vapeur sur des substrats à faible interaction (SFI) possède un caractère 3D intrinsèque. De plus, la nature hors équilibre de la croissance du film depuis une phase vapeur conduit souvent à la génération de contraintes mécaniques, ce qui peut compromettre davantage la fiabilité et la fonctionnalité des dispositifs optoélectroniques. Les objectifs de cette thèse sont liés à la croissance de films métalliques sur SFI et visent à: (i) contribuer à une meilleure compréhension des processus à l'échelle atomique qui contrôlent l'évolution morphologique des films; (ii) élucider les processus dynamiques qui régissent la génération et l'évolution des contraintes en cours de croissance; et (iii) développer des méthodologies pour manipuler et contrôler la morphologie des films à l'échelle nanométrique. L’originalité de l’approche mise en œuvre consiste à suivre la croissance des films in situ et en temps réel par couplage de plusieurs diagnostics, complété par des analyses microstructurales ex situ. Les grandeurs mesurées sont confrontées à des modèles optiques et des simulations atomistiques. La première partie est consacrée à une étude de comportement d’échelonnement des épaisseurs de transition morphologiques caractéristiques, à savoir la percolation et la continuité du film, lors de la croissance de films polycristallins d'Ag et de Cu sur carbone amorphe (a-C). Ces grandeurs sont examinées de façon systématique en fonction de la vitesse de dépôt et de la température du substrat, et interprétées dans le cadre de la théorie de la croissance de gouttelettes suivant un modèle cinétique décrivant la coalescence d’îlots, à partir duquel les coefficients de diffusion des espèces métalliques sont estimés. En confrontant les données expérimentales à des simulations par dynamique moléculaire ab initio, la diffusion de clusters multiatomiques est identifiée comme l’étape limitante le processus de croissance. Dans la seconde partie, l’incorporation, et l’impact sur la morphologie, d’espèces métalliques ou gazeuses minoritaires (Cu, N2, O2) lors de la croissance de film Ag sur SiO2 est étudié. A partir de mesures ellipsométriques in situ, on constate que l'addition d'espèces minoritaires favorise une morphologie 2D, entravant le taux d'achèvement de la coalescence, mais donne également une résistivité accrue de la couche continue. Par conséquent, une stratégie de manipulation de la croissance est proposée dans laquelle des espèces minoritaires sont déployées avec une grande précision temporelle pour cibler sélectivement des stades de croissance de film spécifiques et obtenir une morphologie 2D, tout en conservant les propriétés optoélectroniques des films d’Ag pur. Dans la troisième partie, l'évolution des contraintes résiduelles lors de la croissance des films d'Ag et de Cu sur a-C et leur dépendance à la cinétique de croissance est systématiquement étudiée. On observe une tendance générale vers des amplitudes de contrainte de compression plus faibles avec une augmentation de la température/vitesse de dépôt, liée à l'augmentation de la taille des grains/à la diminution de la longueur de diffusion des adatomes. Également, l’ajout dans le plasma de N2 sur le type et l'amplitude des contraintes dans les films d'Ag est étudié. L'ajout de quelques pourcents de N2 en phase gaz donne lieu à un renversement de la contrainte de compression et une évolution en tension au-delà de la continuité du film. Cet effet est attribué à une croissance anormale des grains géants et le développement de rugosité de surface. L’ensemble des résultats obtenus dans cette thèse fournissent les bases pour: (i) déterminer les coefficients de diffusion sur une large gamme de systèmes films/SFI; (ii) concevoir des stratégies non invasives pour les contacts multifonctionnels dans les dispositifs optoélectroniques; (iii) apporter des éléments de compréhension à l’origine du développement de contrainte, qui permettent de prédire et contrôler le niveau de contrainte intrinsèque à la croissance de films minces polycristallins. Forskningsfinansiärer: French Government program “Investissements d’Avenir” (LABEX INTERACTIFS, reference ANR-11-LABX-0017-01) and the ÅForsk foundation (contract ÅF 19-137). I acknowledge travelsupport by the ÖMSE program of the French Institute of Sweden, and financing ofinter-disciplinary collaboration within Linköping University by the Center of NanoScience and Technology.

International audience; The specific problems of DSECs mechanical testing result from the particularities of these 3-D interconnected eutectic ceramics. First of all, 4-point bending tests ensure pure bending loading, whereas 3 PB tests only lead to a tensile and shear stress combination. Consequently, due to the 3-D microstructure of DSECs, interfaces between the various phases are subjected to a mixed (tensile and shear) loading which makes the interpretation of the results (strength) and of the fracture surfaces, rather difficult. For usual ceramics, biaxial flexure testing offers many advantages over 3- or 4-point beam-bending testing. The coaxial-ring test is free of edge influences (flaws): cracks initiate in the central area and propagate outwardly. However, in the case of DSECs, due to the presence of high internal thermal stresses (especially for ternary eutectics), interfaces can be subjected to a strong radial tensile and shear (near the free surface) stress combination. In the presence of the radial tensile stress resulting from biaxial loading, this internal thermal stress combination can lead to premature crack initiation leading to failure. Specimen machining through grinding leads to the formation of a strongly damaged layer. Annealing of this layer leads to the formation of a rough surface: slightly protruding phases and stress concentrations at the interfaces. The measured strength is ≈20% lower after annealing than that directly after grinding. Concerning the effect of the microstructure size, four representative sizes have been selected in the ≈10 µm to submicrometre range. A classical crack propagation criterion has allowed explaining the corresponding strength values.; Les problèmes posés par la caractérisation mécanique des composites céramiques eutectiques obtenus par solidification dirigée résultent des particularités de la microstructure 3-D interconnectée de ces matériaux. Tout d'abord, les essais de flexion 4 points (4PB) assurent un chargement de flexion pure, alors que les essais de flexion 3 points (3PB) conduisent à une combinaison de traction/compression et de contraintes de cisaillement. Par conséquent, de par la microstructure 3D de ces céramiques eutectiques, les interfaces entre les différentes phases sont soumises à un chargement mixte (traction et cisaillement) qui rend l'interprétation des résultats (résistance en flexion) et des surfaces de rupture, particulièrement difficile. Pour les céramiques courantes, les essais de flexion biaxiale offrent de nombreux avantages par rapport à des essais de flexion 3 ou 4 points. L’essai de flexion biaxiale est indépendant des effets de bord (défauts): les fissures sont amorcées dans la zone centrale et se propagent vers l'extérieur. Cependant, dans le cas des composites céramiques eutectiques obtenus par solidification dirigée, en raison de la présence de fortes contraintes internes d’origine thermique (en particulier pour les eutectiques ternaires), les phases peuvent être soumises à une traction radiale et une cission (singularité en surface libre) très élevées. En présence de la contrainte de traction radiale résultant du chargement biaxial, cette combinaison de contraintes internes d’origine thermique peut conduire à un amorçage prématuré de fissures conduisant à la rupture. L’usinage des éprouvettes par rectification conduit à la formation d'une couche écrouie fortement endommagée. Le recuit de cette couche entraîne la formation d'une surface à fort relief: phases très convexes et concentrations de contraintes au niveau des interfaces. La charge de rupture mesurée est de ≈ 30% plus faible après recuit que directement après rectification. En ce qui concerne l'effet de la taille de la microstructure, trois tailles représentatives ont été sélectionnées dans la gamme : ≈ 10 µm à submicronique. Un critère de propagation de fissure classique a permis d'expliquer les valeurs des résistances à la rupture correspondantes.

This thesis deals with the growth dynamics of thin metal films by magnetron sputtering and their correlation with film properties, such as residual stress, microstructure and surface morphology. Various in situ and real-time diagnostic tools (substrate curvature-MOSS, Optical surface reflectivity spectroscopy-SDRS, X-ray diffraction (XRD), X-ray reflectivity (XRR) and electrical resistivity) were implemented. Coupling these investigations with ex situ characterization (HRTEM, STEM, DRX, XRR, EBSD) allows to understand the influence of kinetic and chemical effects (interfacial reactivity, alloying effect) on the early stages of growth (percolation and continuity) but also on the structural and morphological evolutions of high (Cu, Ag) and low (W) mobility metal films. A modeling approach was used for the case of Cu growth, where kinetic Monte Carlo atomistic simulations (kMC) give access to elementary growth mechanisms. This code, developed in-house to model the growth of thin films by magnetron sputtering, takes into account the specificities of this technique: angular and energetic distribution of the incident flux, energy deposition in (sub-)surface and evolution of the stress at grain boundaries. This coupling of experiments and modelling has demonstrated a complex interdependence of the deposition rate and energy deposition on the growth morphology and the intrinsic stress of Cu and Ag films. The stress level in these systems results from the competition of different atomic mechanisms. The kMC code shows that, in the absence of energetic particles, the compressive stress due to the diffusion of adatoms in the grain boundaries decreases with the deposition rate.In addition, the chemical effects studied comparatively in the Cu/Ge and Ag/Ge systems revealed a competition between interface energy, chemical reactivity and Ge segregation during growth. The growth mechanisms are different for both metals however, the presence of Ge (co-deposited or sublayer) leads to the same microstructural consequences, namely an improvement of the texture (111) and a decrease of grain size and surface roughness.Finally, this methodology applied to the growth of W-Si alloys showed that the critical thickness of the amorphous / crystal transition and the nucleation of either the or the phase strongly depends on the Si content.; Cette thèse est consacrée au suivi de la dynamique de croissance de films minces métalliques par pulvérisation magnétron et sa corrélation avec les propriétés des films, telles que les contraintes résiduelles, la microstructure et la morphologie de surface. Différents outils de diagnostic in situ et en temps réel (courbure du substrat-MOSS, spectroscopie de réflectivité optique de surface-SDRS, diffraction (DRX) et réflectivité (XRR) des rayons X et résistivité électrique) couplés à des caractérisations ex situ (HRTEM, STEM, DRX, XRR, EBSD) ont permis d’appréhender l’influence des effets cinétiques et chimiques (réactivité interfaciale, effet d’alliage) sur les premiers stades de croissance (percolation et continuité) et l’évolution structurale et morphologique de films métalliques de haute (Cu, Ag) et faible (W) mobilité.Cette approche est couplée à des simulations atomistiques par Monte Carlo cinétique (kMC) donnant accès aux mécanismes élémentaires de croissance dans le cas du Cu. Ce code, construit et développé pour modéliser la croissance des films minces par pulvérisation magnétron, tient compte des spécificités de cette technique : distribution angulaire et énergétique du flux incident, dépôt d’énergie en (sub-)surface et évolution des contraintes aux joints de grains. Ce couplage expérimental et numérique a mis en évidence une interdépendance complexe de la vitesse de dépôt et du dépôt d’énergie sur la morphologie de croissance et les contraintes intrinsèques des films de Cu et Ag. La génération de contraintes dans ces systèmes résulte de la compétition de différents mécanismes atomiques. Le code kMC montre que la contrainte de compression due à la diffusion des adatomes dans les joints de grains diminue avec la vitesse de dépôt en l’absence de particules énergétiques. De plus, les effets chimiques étudiés comparativement dans les systèmes Cu/Ge et Ag/Ge ont mis en évidence une compétition entre énergie d’interface, réactivité chimique et ségrégation du Ge lors de la croissance. Si les mécanismes de croissance sont différents pour les deux métaux, la présence de Ge (en co-dépôt ou en sous-couche) mène aux mêmes conséquences microstructurales, à savoir une amélioration de la texture (111) et une diminution de la taille des grains et de la rugosité de surface. Enfin, cette méthodologie appliquée à la croissance d’alliages W-Si a montré une dépendance de l’épaisseur critique de la transition amorphe/cristal et de la compétition entre nucléation de la phase et en fonction de la teneur de Si.

Heat exchangers used in new nuclear power generation plants are made of AISI 316L stainless steel plates stacked in order to improve their efficiency and compactness. During the plates production, residual stresses appear and could cause distortion. To ensure the assembly, this distortion must be controlled and minimized, mainly by controlling the evolution of the residual stress field. Residual stresses generated by manufacturing processes preceding machining were measured using various methods. Then, the obtained residual stresses distributions were integrated into a developed model to predict part distortion, considering the clamping and machining sequence effects. Experimental validation was carried out using a smart experimental device with force sensors integrated in a clamping system was developed. The influence of machining conditions on the plate distortion was also studied using this set-up. Finally, the developed model was used to optimize the machining strategy in order to minimize the distortion.; Les échangeurs thermiques des nouvelles générations de réacteurs nucléaires sont constitués de tôles en acier inoxydable AISI 316L. Ces échangeurs compacts permettent d’améliorer le rendement thermique et ainsi la production d’énergie. Durant la fabrication des plaques, des contraintes résiduelles apparaissent et peuvent engendrer une distorsion. Afin d’assurer l’assemblage de ces plaques, cette distorsion doit être maîtrisée et minimisée, principalement en contrôlant l’évolution du champ de contraintes résiduelles. Les contraintes résiduelles générées au cours des processus qui précèdent l’usinage ont été mesurées en utilisant différentes méthodes. Ensuite, ces contraintes résiduelles ont été intégrées dans un modèle numérique de distorsion prenant en compte les effets de séquence et le serrage au cours de l’usinage. La validation expérimentale du modèle a été effectuée en utilisant un dispositif expérimental intelligent composé de capteurs de force intégrés dans un système de bridage développé spécialement pour la thèse. Il a permis également d’étudier l’influence des conditions d’usinage sur la déformation des plaques. Enfin, le modèle de distorsion développé a été utilisé pour optimiser la stratégie d’usinage afin de minimiser la distorsion des tôles industrielles

Heat exchangers used in new nuclear power generation plants are made of AISI 316L stainless steel plates stacked in order to improve their efficiency and compactness. During the plates production, residual stresses appear and could cause distortion. To ensure the assembly, this distortion must be controlled and minimized, mainly by controlling the evolution of the residual stress field. Residual stresses generated by manufacturing processes preceding machining were measured using various methods. Then, the obtained residual stresses distributions were integrated into a developed model to predict part distortion, considering the clamping and machining sequence effects. Experimental validation was carried out using a smart experimental device with force sensors integrated in a clamping system was developed. The influence of machining conditions on the plate distortion was also studied using this set-up. Finally, the developed model was used to optimize the machining strategy in order to minimize the distortion.; Les échangeurs thermiques des nouvelles générations de réacteurs nucléaires sont constitués de tôles en acier inoxydable AISI 316L. Ces échangeurs compacts permettent d’améliorer le rendement thermique et ainsi la production d’énergie. Durant la fabrication des plaques, des contraintes résiduelles apparaissent et peuvent engendrer une distorsion. Afin d’assurer l’assemblage de ces plaques, cette distorsion doit être maîtrisée et minimisée, principalement en contrôlant l’évolution du champ de contraintes résiduelles. Les contraintes résiduelles générées au cours des processus qui précèdent l’usinage ont été mesurées en utilisant différentes méthodes. Ensuite, ces contraintes résiduelles ont été intégrées dans un modèle numérique de distorsion prenant en compte les effets de séquence et le serrage au cours de l’usinage. La validation expérimentale du modèle a été effectuée en utilisant un dispositif expérimental intelligent composé de capteurs de force intégrés dans un système de bridage développé spécialement pour la thèse. Il a permis également d’étudier l’influence des conditions d’usinage sur la déformation des plaques. Enfin, le modèle de distorsion développé a été utilisé pour optimiser la stratégie d’usinage afin de minimiser la distorsion des tôles industrielles

Les procédés de fabrication additive ont actuellement atteint une maturité suffisante pour produiredes pièces en série dans plusieurs secteurs industriels. Au cours de cette étude, nous nousfocalisons sur la fabrication par fusion laser sur lit de poudre d’alliages métalliques et en particulierl’alliage TA6V qui est l’alliage de titane le plus couramment utilisé. En effet, les cinétiques derefroidissement du matériau au cours de ce procédé induisent une microstructure martensitiqueparticulière dont les propriétés sont encore mal connues, notamment en termes d’élasticité. Deplus, les pièces en TA6V obtenues par fabrication additive souffrent de l’apparition d’importantescontraintes résiduelles pouvant provoquer leur distorsion voire leur fissuration. Actuellement, lasolution employée pour pallier à l’apparition de contraintes résiduelles consiste en un traitementthermique de détensionnement qui permet de relaxer les contraintes, sans comprendre leurgenèse. La première partie de ce mémoire de thèse est consacrée à l’étude de la microstructurede pièces avant et après un traitement de détensionnement. Nous avons ainsi pu étudier la phasemartensitique ’ qui précipite initialement dans le matériau ainsi que la transformation de phase de ’à (+) apparaissant au cours du traitement thermique. Dans un second temps, nous avons étudiél’élasticité des différentes phases expérimentalement et par calculs atomistiques (DFT). L’étudeexpérimentale a été menée à l’échelle macroscopique par essais de traction et vibrationacoustique et localement par diffraction de rayons X. L’ensemble des résultats indique que laphase martensitique ’ est moins rigide et plus anisotrope que la phase (des variations de moduled’Young de l’ordre de 15% sont obtenues). Dans la dernière partie de cette étude, l’effet deparamètres de la fabrication additive sur les contraintes résiduelles a été étudié. Les contraintesrésiduelles ont été déterminées par différentes méthodes telles que la diffraction de rayons X, deneutrons ou la courbure de ponts. Nous avons ainsi montré que la conductivité thermique dusupport, le temps de repos et la forme de l’échantillon avaient un effet important sur lescontraintes résiduelles tandis qu’aucun effet clair de la position sur le plateau, de la hauteurd’échantillon ou de la densité d’énergie n’a pu être mis en évidence. Ces différents résultatsapportent une meilleure connaissance des propriétés du matériau et permettent de mieuxcomprendre la genèse des contraintes résiduelles dans les pièces en TA6V élaborées par fusionlaser sur lit de poudre ; offrant ainsi la possibilité d’améliorer la modélisation et l’optimisation desparamètres de ce procédé de fabrication additive en vue d’une meilleure utilisation industrielle

National audience; Cooling of thermoplastic composite parts inevitably leads to the development of residual stresses, which may have negative consequences on the final part health. Modelling their development during cooling therefore appears as an interesting solution to optimize the process parameters and limit the stresses intensity. This study proposes a coupled model accounting for heat transfer, crystallization kinetics and mechanical behavior of thermoplastic composite laminate. This latter is treated according to the modified lamination theory, which is for the first time adapted to the study of a thermoplastic composite during cooling, with temperature dependent properties. This is made possible by the use of an incremental linear elastic law, which also accounts for the crystallization shrinkage and thermal expansion of the material. The model is applied to the study of an unsymmetric laminate, which leads to estimated stress and strain states. These latter are compared with experimentally measured strains, highlightingan excellent agreement which validates the proposed model.; Le refroidissement des pièces composites thermoplastiques durant leur mise en œuvre mène inexorablement au développement de contraintes résiduelles. Ces contraintes peuvent être néfastes pour la santé finale de la pièce et il convient de prédire leur développement au cours du procédé afin d’optimiser celui-ci et ainsi limiter l’impact des contraintes sur le matériau. Cette étude propose un modèle de prédiction du développement des contraintes résiduelles au cours du refroidissement d’un composite thermoplastique à fibres continues de verre et matrice PA66. Celui-ci prend en compte les transferts thermiques, la cinétique de cristallisation ainsi que le comportement mécanique du composite au cours de son refroidissement. Ce dernier est traité à l’aide de la théorie modifiée des stratifiés qui est adaptée pour la première fois au refroidissement d’un composite thermoplastique dont les propriétés thermomécaniques varient avec la température. Ceci est rendu possible à l’aide d’une formulation incrémentale de la loi de comportement linéaire élastique, prenant en compte les retraits d’origine thermique et de cristallisation. Appliqué au cas d’un empilement asymétrique, le modèle permet de prédire contraintes et déformations résiduelles. Ces dernières sont comparées à des mesures expérimentales pour évaluer la fiabilité du modèle développé.

International audience; Deux revêtements à base nickel obtenus par des bains réducteurs, l’un brut et l’autre ayant subi un traitement thermique sont étudiés. L’essai d’indentation a été mis en œuvre pour caractériser la dureté et le module de Young de ces dépôts. Les résultats montrent une bonne homogénéité des propriétés mécaniques dans l’épaisseur du revêtement, alors que le traitement thermique a eu pour effet d’augmenter sa dureté et son module de façon significative. Les contraintes résiduelles dans les revêtements sont étudiées par la méthode du micro anneau incrémental. Les contraintes calculées sont faibles, dispersées et ne semblent pas dépendre du traitement thermique. En l’absence de contraintes résiduelles avant et après traitement thermique, les variations de propriétés mécaniques ont été attribuées à la modification microstructurale du revêtement et à la précipitation de phases dures.

This thesis is mainly devoted to the study of the relation between microstructure, shot-peening process and residual stress fields in a N18 nickel-based superalloy. To highlight the effect of the microstructure, four simplified microstructures with significantly different gamma grain and gamma' precipitate sizes were designed using different heat treatments. Samples were then subjected to ultrasonic shot-peening and finally either to isothermal holding or to low-cycle fatigue test. Microstructural and mechanical modifications induced by each step were studied using different characterization techniques (SEM, hardness, tensile and fatigue tests). Hardness and tensile properties prior to shot-peening as well as microstructural and hardness modifications after shot-peening mainly depend on the gamma' precipitate size. In situ electrical resistivity measurements were used to follow gamma' dissolution and precipitation kinetics during heat treatments. The kinetics was compared to a model developed for the N18 alloy. Afterward, residual stresses were determined by conventional X-ray diffraction with the « sin² psi » method and synchrotron Laue microdiffraction coupled with energy measurements. The sensitivity of the microdiffraction technique allowed to understand the effect of the microstructure on strain and stress fields at the micrometer scale and to separate the contribution of gamma phase from that of gamma' phase, which is one of the major difficulties of this analysis. Prior to shot-peening, the deviatoric strain is less than 2 x 10-4 regardless of the gamma' precipitate size. After shot-peening, a shift of 100 µm on strain and stress profiles was observed between microstructures with fine gamma' precipitates (200 nm) and coarse gamma' precipitates (2000 nm). Stress profiles obtained with Laue microdiffraction method showed significant differences compared to the plane stress state expected in the sample. Finally, the deviatoric strains introduced by shot-peening are relaxed or redistributed after an isothermal holding or an interrupted fatigue test; Ce travail de thèse est consacré principalement à l’étude des relations entre la microstructure, le procédé de grenaillage et les champs de contraintes résiduelles dans le superalliage à base de nickel N18. Pour mettre en exergue le rôle de la microstructure, nous avons tout d’abord fabriqué quatre microstructures modèles de tailles de grains gamma et de précipités gamma' significativement différentes par différents chemins thermiques. Les échantillons ont été ensuite grenaillés par ultrason et enfin soit traités thermiquement ou sollicités en fatigue à chaud. Nous avons étudié les changements microstructuraux et mécaniques induits par chaque étape en s'appuyant sur différentes techniques de caractérisation (MEB, dureté, essais de traction et de fatigue). Nous montrons que la dureté et les propriétés en traction avant grenaillage ainsi que les modifications microstructurales et de dureté après grenaillage sont principalement dépendantes de la taille de précipités gamma'. Des mesures in situ de résistivité électrique ont permis de suivre les cinétiques de dissolution et de précipitation de la phase gamma' au cours de traitements thermiques. Les cinétiques ont été comparées à un modèle de précipitation développé pour l’alliage N18. Dans la suite, nous avons déterminé finement les contraintes résiduelles par diffraction des rayons X en laboratoire avec la méthode des « sin² psi » et au synchrotron avec la microdiffraction Laue couplée à des mesures d’énergies. La sensibilité de la microdiffraction a permis d’appréhender le rôle de la microstructure sur les champs de déformations et de contraintes à l’échelle du micromètre et de différencier la contribution des phases gamma et gamma', qui constitue l’une des principales difficultés de ce travail d’exploitation. Avant grenaillage, la déformation déviatorique est inférieure à 2 x 10-4 quelle que soit la taille de précipités gamma'. À l’issue du grenaillage, un décalage des profils de déformations et de contraintes de 100 µm est observé lorsque l'on compare la microstructure contenant de fins précipités gamma' (200 nm) à celle contenant des précipités gamma' grossiers (2000 nm). Les profils de contraintes obtenus avec la microdiffraction Laue montrent des différences significatives en comparaison à l’état de contraintes planes attendu à cœur de l’échantillon. Enfin, nous montrons qu’à l’issue d’un maintien isotherme ou d’un essai de fatigue interrompu, les déformations déviatoriques introduites par de grenaillage sont relaxées ou redistribuées

Structural aluminum alloy parts used in aeronautics are manufactured in several steps, from forming processes and heat treatments to final machining. Some of the process steps induce residual stresses. The material removal during machining release these residual stresses and thus, leads to the part deformation. The in-situ measurement of these deformations becomes necessary when this phenomenon is studied. The present work address this problematic in the context of the ANR SIMP-Aero Project. It aims to define a reliable experimental technique dedicated to the measurement of part deformations during machining of large aeronautical parts. The backbone of the technique relies on Digital Image Correlation (DIC). Mainly as a consequence of the harsh constraints environment of machining, the customization of DIC is required. First, movements of the optical system are quantified and compensated for the proper measurement of the workpiece displacement. Then, the metal chips that fly between the observed surface and the acquisition system are detected and filtered by the algorithm. Finally, the developed method enables the measurement of displacement fields throughout the whole machining sequence, without interrupting it, and a measurement uncertainty of around one hundredth of a millimeter is ensured.; Les pièces de structure aéronautique utilisées dans l’aéronautique sont fabriquées en plusieurs étapes. Des étapes, comme le traitement thermique, génèrent des contraintes résiduelles. Les enlèvements de matière réalisés par les opérations d’usinage peuvent alors conduire à la réorganisation des contraintes résiduelles dans la matière et ainsi à la déformation de la pièce. La mesure in-situ de ces déformations devient nécessaire lorsque ce phénomène est étudié. Ces travaux de thèse abordent cette problématique dans le cadre du projet SIMP-Aero. L’objectif de ces travaux de thèse est d’adapter la méthode de corrélation d’images numériques à la mesure de la déformation de pièce pendant l’usinage, c’est-à-dire dans un centre d’usinage. Pour cela, plusieurs améliorations sont apportées à la méthode. Premièrement, les mouvements du système optique sont pris en compte afin que ceux-ci n’altère pas la qualité des mesures. Ensuite, les copeaux présents sur les images sont détectés et filtrés par un algorithme. Au final, la méthode développée permet de mesurer des champs de déplacement durant toute la séquence d’usinage, sans devoir l’interrompre, avec une incertitude de mesure de l’ordre du centième de millimètre.

This thesis aims at studying and modeling a multipass welding operation of a high strength steel used in shipbuilding. In this framework, work focus on predicting the metallurgical and mechanical consequences of the process and, in particular, the residual stress distribution after welding. Since residual stresses can be detrimental to the performance of the welded product, their estimation is essential and numerical modelling is useful to predict them. Two welding mock-ups which are representative of a T- joint were used to characterize the evolution of thermal cycles, microstructure and residual stresses (measured by contour method and deep hole drilling) after each welding pass. Metallurgical and mechanical behaviors were thoroughly characterized in order to feed numerical models with reliable constitutive equations. The last part deals with the implementation of the models in the finite element calculation code Abaqus using specific subroutines. A scale transition procedure has been added to describe the thermomechanical multiphase behavior of the steel. Preliminary calculations were carried out for simple cases to validate the implementation of models. Different numerical couplings were made. First a thermal analysis then a thermo-metallurgical analysis, to estimate the hardness after each welding pass. Finally, a metallurgical-mechanical analysis is achieved for the prediction of residual stresses due to multipass welding. The results of the finite element calculations were discussed and compared with the experimental results obtained in the first part of this work.; Les travaux effectués au cours de cette thèse ont pour objectif d’étudier et de modéliser une opération de soudage multipasse d’un acier à haute limite d’élasticité utilisé en construction navale. Dans ce cadre il s’agit de prédire les conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé et tout particulièrement la répartition et l’intensité des contraintes résiduelles post- soudage nécessaires pour analyser l’intégrité de la structure navale en service. Deux maquettes représentatives d’un joint d’angle en Té ont permis de caractériser l’évolution des cycles thermiques, de la microstructure et des contraintes résiduelles (estimées par les méthodes du contour et du trou profond) après chaque passe de soudage. La suite de l’étude concerne la caractérisation et la modélisation du comportement thermo-métallurgique et thermo- mécanique des différentes phases apparaissant au cours du soudage. La dernière partie porte sur l’implémentation des modèles retenus dans le code de calcul élément finis Abaqus à l’aide de sous-programmes spécifiques. Une étape de transition d’échelle a permis de décrire le comportement thermomécanique multiphasé de cet acier. Des calculs préliminaires ont été conduits pour valider l’implémentation des modèles sur des cas simples. Différents couplages ont été réalisés, soit une analyse thermique puis thermo-métallurgique, pour estimer la dureté après chaque passe et enfin métallurgique-mécanique pour prédire les contraintes résiduelles pour le procédé de soudage multipasse. Les résultats des calculs éléments finis ont été discutés et comparés aux résultats expérimentaux obtenus dans la première partie de cette étude.

This thesis aims at studying and modeling a multipass welding operation of a high strength steel used in shipbuilding. In this framework, work focus on predicting the metallurgical and mechanical consequences of the process and, in particular, the residual stress distribution after welding. Since residual stresses can be detrimental to the performance of the welded product, their estimation is essential and numerical modelling is useful to predict them. Two welding mock-ups which are representative of a T- joint were used to characterize the evolution of thermal cycles, microstructure and residual stresses (measured by contour method and deep hole drilling) after each welding pass. Metallurgical and mechanical behaviors were thoroughly characterized in order to feed numerical models with reliable constitutive equations. The last part deals with the implementation of the models in the finite element calculation code Abaqus using specific subroutines. A scale transition procedure has been added to describe the thermomechanical multiphase behavior of the steel. Preliminary calculations were carried out for simple cases to validate the implementation of models. Different numerical couplings were made. First a thermal analysis then a thermo-metallurgical analysis, to estimate the hardness after each welding pass. Finally, a metallurgical-mechanical analysis is achieved for the prediction of residual stresses due to multipass welding. The results of the finite element calculations were discussed and compared with the experimental results obtained in the first part of this work., Les travaux effectués au cours de cette thèse ont pour objectif d’étudier et de modéliser une opération de soudage multipasse d’un acier à haute limite d’élasticité utilisé en construction navale. Dans ce cadre il s’agit de prédire les conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé et tout particulièrement la répartition et l’intensité des contraintes résiduelles post- soudage nécessaires pour analyser l’intégrité de la structure navale en service. Deux maquettes représentatives d’un joint d’angle en Té ont permis de caractériser l’évolution des cycles thermiques, de la microstructure et des contraintes résiduelles (estimées par les méthodes du contour et du trou profond) après chaque passe de soudage. La suite de l’étude concerne la caractérisation et la modélisation du comportement thermo-métallurgique et thermo- mécanique des différentes phases apparaissant au cours du soudage. La dernière partie porte sur l’implémentation des modèles retenus dans le code de calcul élément finis Abaqus à l’aide de sous-programmes spécifiques. Une étape de transition d’échelle a permis de décrire le comportement thermomécanique multiphasé de cet acier. Des calculs préliminaires ont été conduits pour valider l’implémentation des modèles sur des cas simples. Différents couplages ont été réalisés, soit une analyse thermique puis thermo-métallurgique, pour estimer la dureté après chaque passe et enfin métallurgique-mécanique pour prédire les contraintes résiduelles pour le procédé de soudage multipasse. Les résultats des calculs éléments finis ont été discutés et comparés aux résultats expérimentaux obtenus dans la première partie de cette étude.

International audience; Les procédés de mise en compression de surface sont utilisés dans l’industrie pour améliorer les performances des parties les plus sollicitées de pièces mécaniques. Les procédés actuels, comme le grenaillage et le galetage, sont limités à des profondeurs de traitement assez faibles de l’ordre du millimètre.Une nouvelle technique basée sur les impulsions électromagnétiques est à l’étude. D’après les études théoriques menées jusqu’à présent sur ce procédé, il est possible d’atteindre des profondeurs d’une dizaine de millimètres.Pour valider ces hypothèses, un prototype basé sur un générateur d’impulsions de courant, a été dimensionné et est en cours de développement. Des tests préliminaires ont été réalisés avec le dispositif seul ainsi qu’avec des éprouvettes de différents matériaux

This work focuses on experimental analysis and multiscale modelling of LCF behaviour of 316L steels treated by SMAT. The gradient microstructure features of a 316L steel treated by SMAT are characterized by EBSD, XRD and hardness tests. Grain size gradient, residual stress and plastic deformation are evaluated. The cyclic hardening/softening behaviour of the SMATed specimens and the evolution of the microstructures during cyclic loading are studied based on LCF tests and EBSD observations. A comparison between SMAT and conventional shot peening is performed by analysing the surface topography, residual stress fields, and work hardening profiles of the treated specimens as well as their effects on LCF life.A modelling methodology of residual stress and work hardening is developed including constitutive modelling, reconstruction technique, and cyclic loading simulation. First, a macroscopic constitutive modelling of the cyclic plasticity behaviour of a 316L steel is performed. Then, a self-consistent modelling of the cyclic hardening/softening behaviour is developed. Afterwards, a new method for reconstructing residual stress and work hardening is proposed and applied to a SMATed structure. Both of the previous macroscopic and microscopic models are used to predict the cyclic behaviour of the SMATed material, Ce travail de thèse est focalisé sur des caractérisations microstructurales, des essais de fatigue et une modélisation multi-échelle du comportement en fatigue oligocyclique d’aciers 316L nanocristallisés superficiellement par SMAT. Le gradient de taille de grains superficiel, les contraintes résiduelles et l’écrouissage générés sont évalués à l’aide de différentes techniques : EBSD, DRX et essais de dureté. Le durcissement/adoucissement cyclique des éprouvettes SMATées et l'évolution de la microstructure au cours du chargement cyclique sont ensuite étudiés grâce à des essais de fatigue et des observations par EBSD. Une comparaison entre le SMAT et le grenaillage conventionnel est réalisée en analysant la topographie de surface, les champs de contraintes résiduelles et les profils d’écrouissage générés. Les effets de ces deux traitements sur la durée de vie en fatigue oligocyclique sont également étudiés.Une méthodologie de modélisation des contraintes résiduelles et de l’écrouissage est par ailleurs développée. Elle comporte une modélisation multi-échelle, la reconstruction des contraintes résiduelles et de l’écrouissage ainsi que la simulation du chargement cyclique. Une modélisation macroscopique de la plasticité cyclique de l’acier est d’abord réalisée. Une approche auto-cohérente du durcissement/adoucissement cyclique est ensuite développée. Enfin, une nouvelle méthode de reconstruction des contraintes résiduelles et de l’écrouissage est proposée et appliquée à une structure SMATée

Mechanical surface treatments are widely used in manufacturing industries in order to improve mechanical properties of materials. Among them, shot peening is certainly the most known, even if ultrasonic shot peening and laser shock peening are becoming more and more common. This work consists in a large study of shot peening, divided in three parts.The first one is focused on the conception of a semi analytical model for residual stress prediction after conventional shot peening or ultrasonic shot peening. An approach able to chain the whole shot peening process, starting from process parameters to residual stress field in a structure is proposed. Several numerical simulations of shot-body impacts are carried out in order to determine the parameters of the model.In the second part of this work, a characterization of the ultrasonic shot peening process is performed thanks to many experimental measurements and shot dynamic simulations.The last part of this PhD work corresponds to an experimental analysis focused on the combination of ultrasonic shot peeing with gas nitriding on a martensitic steel. A comparison between ultrasonic shot peening, conventional shot peeing and laser shock peening effects is finally proposed, Les traitements de surface occupent une place très importante au niveau industriel, visant à améliorer les propriétés mécaniques des matériaux. Parmi eux, le grenaillage de précontrainte (GC) est certainement le plus renommé, même si le grenaillage ultrasonore (GUS) et le choc laser (LSP) sont de plus en plus présents. Ce travail consiste en une étude approfondie du grenaillage qui peut être divisée en trois parties. La première partie propose un modèle semi analytique pour la prédiction des contraintes résiduelles après grenaillage conventionnel ou ultrasonore. Une démarche permettant d’obtenir la déformation d’une pièce à géométrie complexe à partir des paramètres du procède de grenaillage conventionnel ou ultrasonore a été mise en place. Plusieurs simulations numériques d’impacts bille-massif ont été réalisées dans l’objectif de choisir les variables à prendre en compte dans le modèle proposé. Dans une deuxième partie, plusieurs séries de mesures expérimentales et de simulations numériques de la dynamique des billes ont été réalisées afin de permettre une optimisation et une meilleure compréhension du GUS. Dans la dernière partie de ce travail, un grand nombre de mesures expérimentales ont été menées afin d’étudier le couplage entre le grenaillage ultrasonore et la nitruration gazeuse d’un acier martensitique. Enfin, une comparaison entre le grenaillage ultrasonore, conventionnel et le choc laser est proposée

The key and foremost aim of this work was to optimize the standard tube drawing process in a way that the wall-thickness variation (eccentricity) of the drawn tubes can be controlled during the tube drawing process. “Eccentricity control” refers to either reducing or increasing the eccentricity. Being able to control the eccentricity is especially interesting for high priced materials as well as tubes with tight tolerance requirements (precision tubes). To be able to control it, the standard drawing method was optimized and tilting of the die or offset (shifting) of the tube was introduced. To perform the tube drawing with tilting/offset, initially the required tools were built for the existing tube drawing machine in the Institute of Metallurgy at Clausthal University of Technology and all tests were performed on this machine on laboratorial scale. To find a general rule for the tubes’ behavior concerning eccentricity, different drawing steps and materials (copper, aluminum, brass, and steel) with different tube dimensions were investigated varying the tilting angles, offset values, or a combination of tilting and offset. After analyzing the effect of tilting/offset on the eccentricity of the drawn tubes, to know in which way tilting and/or offset influence the developed Residual Stresses (RSs), the evolution of the RSs due to the introduced tilting and/or offset was investigated. For analysis hole drilling and neutron diffraction methods were chosen. Hole drilling is a fast and quite inexpensive method, but the results are limited to the surface of the tube. In contrary, using the neutron diffraction method, the whole wall-thickness of the tube can be measured (the measurements were done using SALSA instrument at ILL in Grenoble/France); however, it is an expensive method. The measurements done with neutron diffraction were used also to prepare required data (as input as well as validation data) for the simulation. The anisotropic behavior and the crystallographical evolution of the tubes drawn with tilting were investigated to make sure that their final properties are not being significantly directionally dependent of the crystallographical directions. Considering anisotropy and mass flow, it was decided to analyze the texture evolution of the tubes before and after drawing with tilting, to state whether tilting creates significant different textures (crystallographical orientations) and/or affect the mass flow in a detectable way. To study these parameters, the macro- and micro-texture of the tubes were investigated. Using macro-texture, different crystallographical orientations can be compared before and after drawing and it can be investigated, whether the tilting creates different texture. Micro-texture was studied to be able to detect possible inhomogeneities over wall-thickness of the tubes. For macro-texture analyses, synchrotron and neutron diffraction methods were used. The reason for choosing two different methods was the coarse grain size of the as-received tubes, not possible to be measured by synchrotron method, and therefore neutron method was used. Synchrotron and neutron diffraction measurements were done using HEMS instrument at PETRA III in Hamburg/Germany and STRESS-SPEC instrument at FRM II in Munich/Germany, respectively. Moreover, these results were used as input for the simulations as well as validation data. The micro-texture evolution of the as-received and drawn tubes was measured using the electron backscattering diffraction method (EBSD). The achieved results have shown the possibility of controlling the eccentricity during drawing for copper, aluminum, and brass in a same way. Depending on the application, it is possible to produce tubes with lower or higher eccentricity. In case of copper, tilting the die about 5° and putting the minimum wall-thickness of the tube in the direction of tilting resulted in approx. 48% eccentricity reduction (compared to 18% average eccentricity reduction by standard drawing) for one pass. By using the same tilting angle and placing the maximum wall-thickness of the tube in the direction of tilting, the eccentricity was considerably increased, which is interesting for applications in which the local thickening is required. The average eccentricity increase achieved by this tilting angle was about 50%. Shifting the tube about 6 mm and placing the minimum side of the tube in the direction of shifting reduced the eccentricity about 46% in one pass. Comparing RSs results for standard and tilted drawn tubes show the possibility of influencing the RSs clearly, as well. The macro- and micro-texture of the tubes drawn with tilting have shown the development of same orientation, which were developed by standard drawing. However, the density of the pole figure and Orientation Distribution Function (ODF) in case of tilting was significantly higher, which shows the developed texture in tubes with tilting was sharper. Performing various tube drawing investigations on different materials with different as-received RSs and different initial textures, having different tilting/offset values, are very expensive (from time and experimental method point of views) and not all combination can be studied experimentally. Therefore, to be able to study different parameters, also to have a better understanding of the process, it was decided to develop a simulation model, which takes into account properties of the as-received materials – such as eccentricity, RSs, initial texture, mechanical – and therewith analyzes more complex situations. For this goal, a multiscale simulation approach based on the Integrated Computational Material Engineering (ICME) was used. To develop such a model, a FEM approach, in this case a structural scale simulation, was used. Therewith it was possible to simulate the eccentricity, RSs, and mechanical behavior of the drawn tube. However, in order to be able to simulate texture developments, a Crystal Plasticity (CP) approach – which is a mesoscale simulation - was used. This approach was integrated in the FEM simulations using UMAT subroutine. In studying texture evolutions, it is important to consider the anisotropic elastic and plastic behaviors of the material. The anisotropic hardening behavior was calculated using the Dislocation Dynamics (DD) theory (microscale simulation). One important parameter in DD calculations is the dislocation mobility, been calculated by a Molecular Dynamics (MD) approach, which is an atomistic scale simulation. The proper potential, necessary for MD calculations, was created by a Molecular Embedded Atom Method (MEAM) approach, which is an atomistic scale approach, as well. Moreover, by MEAM calculations, the elastic constants of copper have been calculated. ��11, ��12, and ��44 were identified to be 169.20, 123.19 and 77.20 GPa, respectively. Finally, the required data for the creation of the above-mentioned potential was calculated by using the Density Function Theory (DFT) – an electronic scale simulation. Bei der Herstellung von Rohren ermöglicht die Verringerung von Wanddickenschwankungen, beschrieben durch die Rohrexzentrizität, Materialeinsparungen und damit – für materialkostenintensive Werkstoffe - deutliche Kosteneinsparungen. Je höher man die Anforderungen an die Maßhaltigkeit stellt und je weiter man in den Toleranzvorgaben eingeschränkt wird, desto stärker müssen korrigierende Mechanismen in Anspruch genommen werden, die sich direkt auf die Homogenität der Werkstoffeigenschaften und nicht zuletzt auf die lokale Eigenspannungsverteilung auswirken, desto stärker lokalisieren sich ihre Auswirkungen und umso wichtiger wird ihre Quantifizierung. Das Resultat ist eine verbesserte Materialeffizienz, die zu einer Einsparung von Rohstoffen führt. Des Weiteren ist es für bestimmte konstruktive Anwendungen wünschenswert, lokale Inhomogenitäten zu erzeugen. Ziel des Vorhabens war es deshalb, eine qualitative und quantitative Erfassung der Möglichkeiten zur lokalen Beeinflussung der Rohrwanddicke - in erster Linie um vorhandene Dickenabweichungen über den Rohrumfang zu reduzieren – vorzunehmen. Dazu wurde der Effekt der Matrizenkippung und/oder der Verschiebung des Rohres (Versatz) auf die Exzentrizität untersucht. Dabei waren nicht nur die Einstellung der Exzentrizität und der Eigenspannungen das Ziel, sondern auch die Kontrolle dieser beiden Parameter. Die gewählte Vorgehensweise war eine Kombination aus Simulation und experimentellem Teil. Diese beiden Ansätze wurden weitestgehend parallel durchgeführt. Rohrziehuntersuchungen unter Variation des Kippwinkels und Versatzes für unterschiedliche Werkstoffe mit unterschiedlichen Ausgangseigenschaften sind zeit- und kostenintensiv. Darüber hinaus können nicht alle Kombinationen experimentell untersucht werden. Um dieses Problem zu überwinden und das Verfahren besser zu verstehen, wurde ein Simulationsmodell entwickelt, das wesentliche Eigenschaften der Ausgangsmaterialien - Exzentrizität, Eigenspannungen, Textur, und mechanische Eigenschaften – berücksichtigen kann und damit in der Lage ist, komplexere Prozesssituationen zu analysieren. Darüber hinaus bietet das Modell die Möglichkeit, auch die Texturentwicklung im Rohr mit und ohne Kippung zu beschreiben, ohne dass aufwändige Neutronen-, Synchrotron- oder Elektronenmessungen durchgeführt werden müssen. Zur Zielerreichung wurde ein Multiskalen-Simulationsansatz, basierend auf das Integrated Computational Material Engineering (ICME), verwendet. Seine Entwicklung stellt den zweiten wesentlichen Fokus dieser Arbeit dar. Die Messung der Wandstärken von Rohren unterschiedlicher Materialen - Kupfer, Aluminium, Messing und Stahl - sowie die Messung und Berechnung der Exzentrizität wurden vorrangig durchgeführt. Die Basisuntersuchungen wurden an Kupferrohren durchgeführt. Zur Erweiterung und Validierung der Ergebnisse wurden die anderen Sorten herangezogen. Es wurden unterschiedliche Kippwinkel und Versatzeinstellungen an den Rohren gewählt. Die rekristallisierend geglühten Kupferrohre wurden mehrfach gezogen, um den Effekt der Kaltverfestigung auf die Exzentrizitätsänderung zu erfassen. Die Ergebnisse der Kippung haben gezeigt, dass es möglich ist, die Exzentrizität kontrolliert zu beeinflussen und die Rohrwanddicke lokal sowohl zu reduzieren wie auch aufzudicken. Eine Kippung von -5° - das negative Vorzeichen bedeutet, dass die minimale Wandstärke des Rohres in der Kipprichtung lag - führte beim ersten Ziehen zu einer Reduzierung der Exzentrizität um ca. 50%. Im Vergleich dazu führte der Standardziehprozess (0°) lediglich zu einer Exzentrizitätsabnahme von ca. 1%, ein Kippwinkel von +5° führte zu einer Exzentrizitätserhöhung (Aufdickung) von ca. 50% im Max-Bereich. Die Einführung eines Kippwinkels in den Ziehprozess ändert die benötigte Ziehkraft nicht wesentlich. Ein ähnliches Verhalten konnte bei einer Verschiebung (Versatz) des Rohres aus der Ziehachse beobachtet werden. Ein Versatz von -6 mm führt zu einer Reduzierung der Exzentrizität um ca. 25%. Kippung und die Verschiebung wurden außerdem in Kombination untersucht. Neben den Kupferrohren wurden stichprobenartig auch die übrigen Werkstoffe Ziehversuchen mit Kippung unterworfen; Versatz wurde bei ihnen nicht untersucht. Aluminium und Messing zeigten ein dem Kupfer sehr ähnliches Verhalten, die Untersuchungen an Stahlrohren jedoch zeigten deutliche Unterschiede. Zur Untersuchung des Einflusses von Kippung/Versatz beim Rohrzug auf die Ausbildung von Eigenspannungen wurden diese überwiegend mittels der Bohrlochmethode (zerstörend, oberflächennah) und – an ausgewählten Proben – mit Hilfe der Neutronenstrahlung (zerstörungsfrei, lokal über die Wandstärke) untersucht. Die Ergebnisse zeigten für alle Werkstoffe, dass bei einem Kippwinkel von 5° (sowohl positiv als auch negativ) die erreichten Eigenspannungen im Bereich des ersten Auftreffens des Rohres auf die Matrize (gegenüber der Kipprichtung der Matrize) geringer als im Standardziehverfahren sind. Parallel zur Untersuchung der Exzentrizität und der Eigenspannungen wurden die Anisotropie der gezogenen Rohre und deren kristallographische Entwicklung untersucht. Damit sollte zum einen das Verständnis zum Einfluss der Kippung auf das anisotrope Verhalten des Rohres verbessert werden und zum anderen bestätigt werden, dass nach dem Rohrziehen mit Kippung keine wesentlich geänderte Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften vorliegt. Die experimentelle Durchführung des Rohrziehens unter Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenspannungen und Texturen, mit unterschiedlichen Kippwinkeln und Versätzen, ist sehr zeitaufwändig und teuer, besonders dann, wenn eine Vielzahl an Kombinationen untersucht werden sollen. Um hier eine Variabilität zu gewährleisten und um das Prozessverständnis zu verbessern, wurde ein Simulationsmodell entwickelt. Die Eingabewerte des Modells sind die Eigenschaften des Ausgangsrohres wie die Exzentrizität, Eigenspannungen, die Textur die und mechanischen Kennwerte. Zur Entwicklung des Modells wurde eine Multiskalen-Simulationsmethode mit ICME-Ansatz genutzt. Um die für die Simulation erforderlichen Eingaben zu erhalten, wurden unterschiedliche Simulationslängen genutzt: Density function theory; modified embedded-atom method; molecular dynamics; dislocation dynamics; crystal plasticity; und FEM. Mittels berechneter und gemessener Exzentrizität, Eigenspannungen, Spannungs-Dehnungs-Diagrammen und Texturen konnten die Ergebnisse des FEM-Models erfolgreich validiert werden. Damit liegt ein Simulationstool vor, das den Rohrziehprozess bei Einsatz unterschiedlicher Kippwinkel und Versätze für unterschiedliche Werkstoffe und Ausgangsbedingungen (Eigenspannungen und Texturen) hinsichtlich seiner Auswirkungen auf das Endprodukt zuverlässig beschreibt.

Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Université Toulouse III Paul Sabatier. Aplicat embargament des de la data de defensa fins a gener de 2020 Premi extraordinari doctorat UPC curs 2017-2018. Àmbit d’Enginyeria Industrial This dissertation is an experimental research project into the mechanical effects of the ultrasonic vibration-assisted ball burnishing process on the surface integrity of surfaces machined through ball-end milling. Due to the lack of commercial tools able to perform this process, the study includes firstly the design and characterization of a prototype to that effect. An experimental analysis is then undertaken, applying the process to AISI 1038 and Ti-6Al-4V surfaces of high industrial and aeronautical value. The experimental campaign is designed based on a Taguchi orthogonal array that includes five factors, namely: preload, number of passes, feed velocity, strategy and initial surface texture. Results are analyzed in terms of topological characteristics, residual stress and hardness, in order to identify and understand the impact of process parameters on surface integrity, to define the best parameters for performing the process and to assess the positive effects caused by the introduction of vibrations as a means of assistance. Results reveal that the initial texture is the most influential parameter on all outcomes. Texture results show that the vibrations can enhance the roughness and texture results, as long as they have sufficient low initial amplitude. Furthermore, only the preload and number of passes influence the results, with a pair of values being found in all cases that serve a threshold from which further plastic strain is detrimental for the final surface topology. In terms of residual stress, all parameters are influential in the results, especially the burnishing strategy, through which a certain component of the residual stress tensor can be adequately reinforced. Finally, the burnishing operation proves to modify the hardness of deep layers down to 0.5 mm, applying the vibration-assisted process. .e main conclusion is that the optimal parameters for performing the process are different with regards to the optimization objective. Some useful combinations are proposed for performing the process depending on the desired target Esta tesis es un estudio experimental que versa sobre los efectos del proceso de bruñido con bola asistido por vibraciones ultrasónicas sobre la integridad superficial de superficies mecanizadas mediante fresa hemisférica. Dada la indisponibilidad de herramientas comerciales capaces de efectuar este proceso, el estudio incluye en primer lugar el diseño y caracterización de un prototipo a tal efecto. Posteriormente, se realiza un análisis experimental aplicando el proceso sobre superficies de dos aleaciones de interés industrial y aeronáutico, AISI 1038 y Ti-6Al-4V, siguiendo un diseño de experimentos fraccionario basado en una matriz ortogonal de Taguchi. Para ello, cinco factores son incluidos en el modelo, a saber: la precarga, el número de pasadas, la velocidad de avance, la estrategia de bruñido, y la textura de la superficie de partida. Los resultados se evalúan en términos de textura, tensiones residuales y dureza, para identificar y comprender el impacto de este proceso y de sus parámetros de operación sobre la integridad superficial, para definir los mejores parámetros a aplicar para cada material, y con el fin de evaluar los efectos positivos provocados por la introducción de las vibraciones como medio de asistencia. Los resultados revelan que la textura inicial es el parámetro que define en mayor medida el estado de las superficies finales. Los resultados de textura evidencian que las vibraciones pueden mejorar en mayor medida la topología de las superficies objetivo, siempre que éstas sean suficientemente finas. Además, sólo la precarga y el número de pasadas influyen en el resultado, encontrando en todo caso un par de valores limítrofe a partir del cual las superficies se ven dañadas. Los resultados de tensiones residuales muestran que todos los parámetros son influyentes en el resultado final, especialmente la estrategia de bruñido, con la que puede modificarse la dirección preferencial del tensor de tensiones superficial. Finalmente, el bruñido demuestra modificar la dureza positivamente hasta capas de aproximadamente 0,5 mm, aplicando el proceso asistido con vibraciones. Se concluye que los parámetros óptimos de proceso son diferentes en función del objetivo de optimización, y deben definirse en base a dos variables de partida: el material objetivo y la textura que éste presenta antes del proceso. Cette thèse étudie les effets du processus de brunissage à bille assisté par vibrations ultrasoniques sur l’intégrité surface des surfaces usinées par fraisage hémisphérique. Compte tenu de l’inexistence d’outils commerciaux capables de réaliser ce processus, l’étude débute par la conception et la caractérisation d’un prototype capable de l’exécuter. Par la suite, une analyse expérimentale est menée, en utilisant le procédé sur les surfaces de deux alliages d’intérêt industriel et aéronautique, AISI 1038 et Ti- 6Al-4V. Pour cela, un plan d’expériences est elaboré à base d’une matrice orthogonale Taguchi. Cinq facteurs sont inclus dans le modèle : la précharge, le nombre de passes, la vitesse d’avance, la stratégie de brunissage et la texture initiale de la surface préalablement usinée. Les résultats sont évalués en termes de texture finale, de contrainte résiduelle et de dureté, pour identifier et comprendre l’impact de ce procédé et des paramètres opératoires sur l’intégrité de surface, pour définir les meilleurs paramètres à appliquer pour chaque matériau, et pour évaluer les effets positifs provoqués par l’introduction de vibrations comme moyen d’assistance. Pour cela, la notion d’intégrité de surface est rappelée, voire redéfinie dans le cas de la texture de surface. En effet, les critères classiquement utilisés se révèlent inaptes à caractériser les surfaces obtenues, et une nouvelle méthodologie d’analyse des topologies de surface est proposée. Les résultats obtenus suite à la réalisation du plan d’expériences révèlent que la texture initiale est le paramètre prépondérant. Les résultats de la topologie de surface montrent que les vibrations peuvent améliorer la rugosité et la texture des surfaces dans la mesure où l’état de surface initial est sufisamment fin. Ensuite, seule la précharge et le nombre de passes influencent le résultat, avec, dans tous les cas, un couple de valeurs limites à partir desquelles les surfaces sont endommagées. Les résultats des contraintes résiduelles montrent que tous les paramètres influent sur le résultat final, en particulier la stratégie de brunissage, avec laquelle la direction préférentielle du tenseur de la contrainte superficielle peut être modifiée. Enfin, le brunissage montre une modification positive de la dureté à des couches d’environ 0,5 mm en appliquant le processus assisté avec vibrations. Nous concluons que les paramètres de processus optimaux sont diférents en fonction de l’objectif d’optimisation, et que certaines combinaisons peuvent être utiles en fonction de ces objectifs. Aquesta tesi és un estudi experimental que tracta sobre els efectes del procés de brunyit amb bola assistit per vibracions ultrasòniques sobre la integritat superficial de superfícies mecanitzades amb fresa hemisfèrica. Degut a la indisponiblitat d’eines comercials capaces d’aplicar aquest procés, l’estudi inclou en primer lloc el disseny i la caracterització d’un prototip capa d’executar-lo. Posteriorment, es realitza una anàlisi experimental aplicant el procés sobre superfícies de dues aliatges d’internes industrial i aeronàutic, AISI 1038 i Ti-6Al-4V, seguint un disseny d’experiments basat en una matriu ortogonal Taguchi. Per això, cinc factors són inclous en el model: la precàrrega, el nombre de passades, la velocitat d’avenç, l’estratègia de brunyit i la textura de la superfície inicial. Els resultats s’avaluen en termes de textura final, tensions residuals i duresa, per identificar i comprendre l’impacte d’aquest procés i dels seus paràmetres d’operació sobre la integritat superficial, definir els millors paràmetres a aplicar per a cada material, i amb l’objectiu d’avaluar els efectes positius provocats per la introducció de les vibracions com a mitjà d’assistència. Els resultats evidencien que la textura inicial és el paràmetre que defineix en major mesura l’estat de les superfícies finals. Els resultats de textura indiquen que les vibracions poden millorar en major mesura la rugositat i textura de les superfícies, sempre que aquestes siguin suficientment fines. A més, només la precàrrega i el nombre de passades influeixen sobre el resultat, trobant en tot cas un parell de valors límits a partir del qual les superfícies són empitjorades. Els resultats de tensions residuals mostren que tots els paràmetres són influents sobre el resultat final, especialment l’estratègia, amb la què es pot millorar la direcció preferencial del tensor de tensions superficial. Finalment, el brunyit demostra modificar la duresa positivament fins a capes d’aproximadament 0.5 mm de profunditat, aplicant el procés assistit amb vibracions. Es conclou que els paràmetres òptims de procés són diferents en funció de l’objectiu d’optimització, i es proposen algunes combinacions que poden ser útils en funció del mateix. Award-winning

This dissertation is an experimental research project into the mechanical effects of the ultrasonic vibration-assisted ball burnishing process on the surface integrity of surfaces machined through ball-end milling. Due to the lack of commercial tools able to perform this process, the study includes firstly the design and characterisation of a prototype to that effect. An experimental analysis is then undertaken, applying the process to AISI 1038 and Ti-6Al-4V surfaces of high industrial and aeronautical value. The experimental campaign is designed based on a Taguchi orthogonal array that includes five factors, namely: preload, number of passes, feed velocity, strategy and initial surface texture. Results are analysed in terms of topological characteristics, residual stress and hardness, in order to identify and understand the impact of process parameters on surface integrity, to define the best parameters for performing the process and to assess the positive effects caused by the introduction of vibrations as a means of assistance. Results reveal that the initial texture is the most influential parameter on all outcomes. Texture results show that the vibrations can enhance the roughness and texture results, as long as they have sufficient low initial amplitude. Furthermore, only the preload and number of passes influence the results, with a pair of values being found in all cases that serve a threshold from which further plastic strain is detrimental for the final surface topology. In terms of residual stress, all parameters are influential in the results, especially the burnishing strategy, through which a certain component of the residual stress tensor can be adequately reinforced. Finally, the burnishing operation proves to modify the hardness of deep layers down to 0.5 mm, applying the vibration-assisted process. The main conclusion is that the optimal parameters for performing the process are different with regards to the optimisation objective. Some useful combinations are proposed for performing the process depending on the desired target.; Cette thèse étudie les effets du processus de brunissage à bille assisté par vibrations ultrasoniques sur l'intégrité de surface des surfaces usinées par fraisage hémisphérique. Compte tenu de l'inexistence d'outils commerciaux capables de réaliser ce processus, l'étude débute par la conception et la caractérisation d'un prototype capable de l'exécuter. Par la suite, une analyse expérimentale est menée, en utilisant le procédé sur les surfaces de deux alliages d'intérêt industriel et aéronautique, AISI 1038 et Ti- 6Al-4V. Pour cela, un plan d'expériences est élaboré à base d'une matrice orthogonale Taguchi. Cinq facteurs sont inclus dans le modèle : la précharge, le nombre de passes, la vitesse d'avance, la stratégie de brunissage et la texture initiale de la surface préalablement usinée. Les résultats sont évalués en termes de texture finale, de contrainte résiduelle et de dureté, pour identifier et comprendre l'impact de ce procédé et des paramètres opératoires sur l'intégrité de surface, pour définir les meilleurs paramètres à appliquer pour chaque matériau, et pour évaluer les effets positifs provoqués par l'introduction de vibrations comme moyen d'assistance. Pour cela, la notion d'intégrité de surface est rappelée, voire redéfinie dans le cas de la texture de surface. En effet, les critères classiquement utilisés se révèlent inaptes à caractériser les surfaces obtenues, et une nouvelle méthodologie d'analyse des topologies de surface est proposée. Les résultats obtenus suite à la réalisation du plan d'expériences révèlent que la texture initiale est le paramètre prépondérant. Les résultats de la topologie de surface montrent que les vibrations peuvent améliorer la rugosité et la texture des surfaces dans la mesure où l'état de surface initial est suffisamment fin. Ensuite, seule la précharge et le nombre de passes influencent le résultat, avec, dans tous les cas, un couple de valeurs limites à partir desquelles les surfaces sont endommagées. Les résultats des contraintes résiduelles montrent que tous les paramètres influent sur le résultat final, en particulier la stratégie de brunissage, avec laquelle la direction préférentielle du tenseur de la contrainte superficielle peut être modifiée. Enfin, le brunissage montre une modification positive de la dureté à des couches d'environ 0,5 mm en appliquant le processus assisté avec vibrations. Nous concluons que les paramètres de processus optimaux sont différents en fonction de l'objectif d'optimisation, et que certaines combinaisons peuvent être utiles en fonction de ces objectifs.

Surface treatments methods like shot peening are used to introduce compressive residual stresses in metallic materials. The compressive stresses prevent the initiation and growth of cracks and hence improve the fatigue life of mechanical parts. The drawbacks and limitations of the existing processes generally used for this purpose are known and have been highlighted in many studies. These are, among others, an important surface modification (roughness), a limited compressive depth, difficulties in execution, debris and contamination problems, etc. Therefore, the interest in new surface treatment methods, which permit to obtain equivalent or even better compressive results while avoiding the previous problems, are growing. Cavitation peening and electromagnetic pulse peening are part of these innovative processes which modeling is the aim of this PhD thesis. Cavitation peening is a process of surface treatment which acts by the generation of cavitation bubbles near the workpiece surface. The modeling of this process is challenging because of the complexity of cavitation phenomenon and the main problematic point is the determination of the mechanical loading on the material due the bubbles collapse. In this thesis, an approach of modeling for cavitation peening based on the study of the dynamics of cavitation bubbles is proposed. Spherical and aspherical collapse of bubbles near a solid surface are studied by some numerical and analytical models. These two sources of loading pressures have been compared and a macroscopic model for cavitation peening have been derived by associating the numerical simulation of the cavitation jet and the localization of the cavitation zone. The comparison between the final residual stress profile calculated with the proposed model and the experimental results were satisfactory. Electromagnetic pulse peening (EMP) is a contactless process of surface treatment which could be used to introduce compressive residual stresses in conductive materials, by the generation of a high transient electromagnetic field. Laplace forces induced in the material by magnetic induction are the source of the material plastic deformation and compressive residual stresses introduction. To predict the EMP results, a numerical model have been built for the process simulation. The model, based on finite element method, coupled successfully electromagnetic and mechanical phenomena by using a sequential-coupled approach. It was proven theoretically, by the study of a reference case, that compressive residual stresses could be induced in metallic materials like nickel-based (Inconel) or aluminum alloys by the means of the present process. It was also shown by the calculations that much higher compressive depths than those of conventional peening processes could be achieved. The parametric study exhibited the influence of the maximum current intensity and frequency which affect both the compressive depth and the maximum residual stress., Les procédés de traitement de surface tels que le grenaillage sont utilisés pour introduire des contraintes résiduelles de compression dans les matériaux métalliques. Cela permet de prévenir l'initiation et la propagation des fissures afin d'augmenter la durée de vie en fatigue des pièces mécaniques. Les limites et inconvénients des procédés actuels généralement utilisés pour cette fin sont connus et ont été mis en avant dans plusieurs études. Il s'agit d'une modification importante de l'état de surface (rugosité), une profondeur traitée limitée, des difficultés de mise en œuvre, etc. Aussi, de nouveaux procédés permettant d'obtenir des résultats équivalents voire meilleurs tout en évitant ces problèmes suscitent un intérêt grandissant. Le traitement de surface par cavitation (cavitation peening) et la mise en compression par impulsions électromagnétiques font partie de ces procédés innovants dont la modélisation a fait l'objet de cette thèse. Le traitement de surface par cavitation consiste à générer un jet d'eau submergé contenant des bulles de cavitation et dirigé vers la surface à traiter. La principale difficulté dans la modélisation du cavitation peening est la détermination du chargement mécanique sur la surface provenant de l'implosion des bulles de cavitation. L'effondrement des bulles peut se faire de manière sphérique ou non-sphérique suivant leur proximité de la paroi solide. Des modèles analytiques et numériques ont donc été élaborés pour étudier la dynamique des bulles et déterminer l'onde de pression due à une bulle sphérique d'une part, et la pression d'impact du micro-jet (bulle asphérique) d'autre part. Ces deux types de sollicitations ont été comparés et un modèle macroscopique pour le traitement par cavitation a été dérivé, en s'appuyant sur une simulation numérique du jet de cavitation. Une comparaison avec des résultats expérimentaux a été effectuée et a montré la pertinence du modèle proposé. En ce qui concerne le traitement par impulsions électromagnétiques, il consiste à générer un puissant champ magnétique transitoire par induction dans la pièce de matériau conducteur. Les contraintes résiduelles proviennent de la déformation plastique créée par les forces de Laplace à l'intérieur du matériau. Un modèle numérique couplant l'électromagnétisme et la mécanique des solides a été mis en place pour la simulation du procédé. Grâce à une étude d'optimisation, ce modèle a permis d'obtenir les paramètres électriques nécessaires pour arriver à mettre en compression des matériaux de type alliage de base nickel ou d'aluminium par cette méthode. Les profondeurs de la mise en compression calculées sont théoriquement par calcul plus élevées que celles obtenues avec les méthodes classiques de traitement de surface. Une étude de l'influence des différents paramètres a été faite et a montré que le procédé peut être contrôlé de manière relativement aisée en variant l'intensité et la pseudo-fréquence du courant traversant l'inducteur.