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International audience; Shot peening of turbine disk engines is performed in the aerospace industry in order to enhance fatigue life. This surface enhancement method generates beneficial modifications like superficial compressive residual stresses that are known to delay crack initiation and propagation. In the same way, work hardening is also introduced at the surface of the part during shot peening and can have a significant influence on fatigue crack initiation. Taking this parameter into account in the fatigue design of parts, in addition to the residual stresses, is a real challenge to be the most predictive. One possibility for this is to be able to predict it during the modeling of the shot peening process. In the present work, various peening conditions are considered in order to be able to propose a model able to account for the influence of coverage and Almen intensity on residual stresses and work hardening. The studied material is Inconel 718, commonly used for aeronautical parts. The X-ray diffraction method is used to obtain the in-depth residual stress and work-hardening profiles. A three-dimensional numerical model is proposed to predict these quantities. Efforts are made to consider all recent advances in three-dimensional simulation of the process, in terms of coverage assessment, shot and treated part modeling. The numerical results are compared to the experimentally measured residual stresses and work hardening.

For many years, the understanding of the coupling between a mechanical (applied or residual) stress field and a chemical field in a material diffusion process has been an important area of study. Long-range interstitial diffusion, for example in the case of gas nitriding, causes strong stress gradients associated with phase transformations (short-range diffusion). The phenomena of diffusion-precipitation are known and simulated in the laboratory. However, the stress-diffusion coupling (short or long range) remains an important problem. Two significant phenomena on long-range diffusion have been highlighted: the effect of a homogeneous stress (Fickian term) and the stress gradient as a driving force (Nersntien term). In addition, mechanical pretreatment is frequently used with thermochemical treatments, resulting in rarely decoupled phenomena of incompatible plastic strains and residual stresses. In this study numerical approaches limited to long-range diffusion and experimental approaches were carried out to investigate these issues. The stress-diffusion coupling is the subject of numerical simulations in 1D (2D axisymmetric) and 2D using the thermodynamics of irreversible processes. The effects of a homogeneous stress and a stress gradient were demonstrated by numerical simulations that were applied to a binary system (Fe-N). The results revealed that the Fickian coupling factor (σ_kk β) must be about 100 times larger than the diffusion coefficient D to have a significant impact on the kinetics.In order to compare these theoretical results with reality, nitriding experiments on the steel grade 33CrMoV12-9 were carried out. In particular, the influence on the diffusion kinetics of: a residual stress gradient (i.e. elastic strain gradient ∇ε^e); an applied stress gradient (i.e. elastic strain gradient ∇ε^e); a homogeneous plastic strain ε^P, a plastic strain gradient ∇ε^P. The results showed small differences on the diffusion kinetics as observed in the numerical simulations., Depuis de nombreuses années, la compréhension du couplage entre un champ de contraintes mécaniques (appliquées ou résiduelles) et un champ chimique dans un processus de diffusion de la matière est un domaine d'étude important. La diffusion interstitielle à longue distance, dans le cas par exemple de la nitruration gazeuse provoque de forts gradients de contraintes associés à des transformations de phase (diffusion à courte distance). Les phénomènes de diffusion-précipitation sont connus et simulés au sein du laboratoire. Le couplage contrainte-diffusion (à courte ou longue distance) reste cependant un problème important. Deux phénomènes significatifs sur la diffusion à longue distance ont été soulignés : l'effet d'une contrainte homogène (terme Fickien) et le gradient de contraintes comme force de transport (terme Nersntien). De plus, un prétraitement mécanique est fréquemment utilisé avec les traitements thermochimiques, ce qui entraîne des phénomènes rarement découplés de déformations plastiques incompatibles et de contraintes résiduelles. Dans cette étude des approches numériques limitées à la diffusion à longue distance et des approches expérimentales ont été réalisées pour aborder ces questions. Le couplage contrainte-diffusion fait l'objet de simulations numériques en 1D (2D axisymétrique) et 2D utilisant la thermodynamique des processus irréversibles. Les effets d’une contrainte homogène et d'un gradient de contraintes ont été mis en évidence par des simulations numériques qui ont été appliquées à un système binaire (Fe-N). Les résultats ont révélé que le facteur de couplage fickien (σ_kk β) doit être environ 100 fois supérieur au coefficient de diffusion D pour avoir un impact significatif sur la cinétique.Afin de confronter ces résultats théoriques à la réalité, des expériences de nitruration sur la nuance d’acier 33CrMoV12-9 ont été effectuées. Des essais particuliers ont permis d'observer l'influence sur les cinétiques de diffusion : d'un gradient de contraintes résiduelles (i.e. gradient de déformation élastique ∇ε^e); d'un gradient de contraintes appliquées (i.e. gradient de déformation élastique ∇ε^e); d'une déformation plastique homogène ε^P, d'un gradient de déformation plastique ∇ε^P. Les résultats ont montré de faibles différences sur les cinétiques de diffusion comme observées lors des simulations numériques.

Athmospheric Plasma Spraying (APS) process from plasma stream study to deposit formation and particules spreading is nowadays well known process. Litterature studies allows knowledge over spraying conditions requiered to achieve a well bonded deposit with controlled homogeneity and density. However, these knowledge are not able to totally understand delamination or self damaging phenomena occuring sometimes into the systems created. In order to explain such phenomena, residual stresses study (i.e. thermal and mecanical deposit history) has to be carried. This PhD work aims to bring answers on this subject following three main axis of research : Offer a bibliographical state of the art of this problematic,Create a grit blasting process numerical model,Perform an experimental study of the stress development during thermal plasma spraying.; L’étude du procédé de projection plasma (APS), de l’écoulement diphasique à la formation du dépôt en passant par l’étude de l’étalement des particules à l’impact, est aujourd’hui connu. De ces nombreuses études, résulte une connaissance des paramètres et conditions menant à la formation d’un dépôt présentant une adhérence, une homogénéité et une compacité maitrisées. Cependant, ces différentes études ne sont pas en mesure d’expliquer totalement la délamination et l’endommagement de certains dépôts. Afin d’expliquer ces phénomènes, l’étude des contraintes résiduelles et donc de l’histoire thermique et mécanique des dépôts s’impose. Dans cette optique, les travaux de cette thèse se sont articulés autour de trois objectifs distincts et complémentaires :Réaliser un état de l’art le plus exhaustif possible de cette problématique, Proposer un modèle numérique capable de rendre compte de l’état de surface et des contraintes induits par le procédé de sablage, Proposer une étude expérimentale du développement des contraintes lors de la réalisation d’un dépôt.

Athmospheric Plasma Spraying (APS) process from plasma stream study to deposit formation and particules spreading is nowadays well known process. Litterature studies allows knowledge over spraying conditions requiered to achieve a well bonded deposit with controlled homogeneity and density. However, these knowledge are not able to totally understand delamination or self damaging phenomena occuring sometimes into the systems created. In order to explain such phenomena, residual stresses study (i.e. thermal and mecanical deposit history) has to be carried. This PhD work aims to bring answers on this subject following three main axis of research : Offer a bibliographical state of the art of this problematic,Create a grit blasting process numerical model,Perform an experimental study of the stress development during thermal plasma spraying.; L’étude du procédé de projection plasma (APS), de l’écoulement diphasique à la formation du dépôt en passant par l’étude de l’étalement des particules à l’impact, est aujourd’hui connu. De ces nombreuses études, résulte une connaissance des paramètres et conditions menant à la formation d’un dépôt présentant une adhérence, une homogénéité et une compacité maitrisées. Cependant, ces différentes études ne sont pas en mesure d’expliquer totalement la délamination et l’endommagement de certains dépôts. Afin d’expliquer ces phénomènes, l’étude des contraintes résiduelles et donc de l’histoire thermique et mécanique des dépôts s’impose. Dans cette optique, les travaux de cette thèse se sont articulés autour de trois objectifs distincts et complémentaires :Réaliser un état de l’art le plus exhaustif possible de cette problématique, Proposer un modèle numérique capable de rendre compte de l’état de surface et des contraintes induits par le procédé de sablage, Proposer une étude expérimentale du développement des contraintes lors de la réalisation d’un dépôt.

This article revisits the evaluation by a perturbation theory of the modification of the Rayleigh wave velocity under a static loading varying with depth. Two derivations, that have been exposed in the past and presented as comparable, are questioned. A new derivation of the perturbation formula is given by adapting Auld’s approach. Validation with exact calculations is provided. The examples cover depth-varying static stress as well as depth-varying third order elastic properties.

Additive manufacturing (AM) has become a new option for the fabrication of metallic parts in industry. However, there are still some limitations for this application, especially the unfavourable final shape and undesired macroscopic properties of metallic parts built in AM systems. The distortion or crack due to the residual stress of these parts leads usually to severe problems for some kinds of metal AM technology. In an AM system, the final quality of a metallic part depends on many process parameters, which are normally optimized by a series of experiments on AM machines. In order to reduce the considerable time consumption and financial expense of AM experiments, the numerical simulation dedicated to AM process is a prospective alternative for metallic part fabricated by additive manufacturing. Because of the multi-scale character in AM process and the complex geometrical structures of parts, most of the academic researches in AM simulation concentrated on the microscopic melting pool. Consequently, the macroscopic simulation for the AM process of a metallic part becomes a current focus in this domain. In this thesis, we first study the pre-processing of AM simulation on Finite Element Method (FEM). The process of additive manufacturing is a multi-physics problem of coupled fields (thermal, mechanical, and metallurgical fields). The macroscopic simulation is conducted in two different levels with some special pre-processing work. For the layer level, the reconstruction of 3D model is conducted from the scan path file of AM machine, based on the inverse manipulation of offsetting-clipping algorithm. For the part level, the 3D model from CAD is reconstructed into a voxel-based mesh, which is convenient for a part with complex geometry. The residual stress of a part is analysed under different preheat temperatures and different process parameters. These simulations imply the potential technique of reducing residual stress by the optimisation of process parameters, instead of the traditional way by increasing preheat temperature. Based on the FEM simulation platform above, two simulations at line level are also studied in this thesis, aiming at the relation between the AM process and part's final quality. These examples demonstrate the feasibility of using macroscopic simulations to improve the quality control during the AM process. In the first task, dataset of heating parameters and residual stress are generated by AM simulation. The correlation between them is studied by using some regression algorithm, such as artificial neural network. In the second task, a PID controller for power-temperature feedback loop is integrated into AM process simulation and the PID auto-tuning is numerically investigated instead of using AM machine. Both of the two tasks show the important role of AM macroscopic process simulation, which may replace or combine with the numerous trial and error of experiments in metal additive manufacturing., La fabrication additive (FA) est devenue une nouvelle alternative pour la fabrication des pièces dans l'industrie. Cependant, il existe encore des limites pour ce procédé, en particulier la forme finale défavorable et les propriétés macroscopiques indésirables des pièces métalliques construites dans les systèmes de FA. La distorsion ou la fissure due à la contrainte résiduelle de ces pièces pose généralement de graves problèmes pour certains types de technologie de la FA métallique. Dans un système de FA, la qualité finale d'une pièce métallique dépend de nombreux paramètres de procédé, qui sont normalement optimisés par une série d'expériences sur des machines de FA. La simulation macroscopique dédiée au procédé de FA est une alternative potentielle pour les pièces métalliques fabriquées par la fabrication additive. Dans cette thèse, nous étudions d'abord le pré-processing de la simulation de FA par la méthode des éléments finis (FEM). Le procédé de fabrication additive est un phénomène multi-physique des champs couplés (champs thermique, mécanique et métallurgique). La simulation macroscopique est réalisée à deux niveaux différents. Au niveau de la couche, la reconstruction du modèle 3D est effectuée à partir du fichier de chemin de balayage de la machine de FA, basée sur la manipulation inverse de l'algorithme d'offsetting-clipping. Au niveau de la pièce, le modèle 3D de CAO est reconstruit dans un maillage des voxels, ce qui est pratique pour une pièce avec une géométrie complexe. Avec les températures de préchauffage différentes et les paramètres du procédé différents, la contrainte résiduelle d'une pièce est analysée. Ces simulations impliquent la technique potentielle pour réduire la contrainte résiduelle par l'optimisation des paramètres du procédé, au lieu de moyens traditionnels par augmenter la température de préchauffage. Basées sur la plateforme de simulation de FEM ci-dessus, deux simulations au niveau de ligne sont également étudiées dans cette thèse, visant à la relation entre le procédé de FA et la qualité finale de la pièce. Ces exemples démontrent la possibilité d'utiliser des simulations macroscopiques pour améliorer le contrôle de la qualité pendant le procédé de FA. Dans la première tâche, l'ensemble de données des paramètres de chauffage et la contrainte résiduelle sont générés par la simulation de FA. La corrélation entre eux est étudiée en utilisant des algorithmes de régression, tel que le réseau neuronal artificiel. Dans la deuxième tâche, un contrôleur de PID pour la boucle de rétroaction puissance-température est intégré dans la simulation de procédé de FA et l'auto-réglage de PID est numériquement étudié au lieu d'utiliser la machine de FA. Les deux tâches montrent le rôle important de la simulation de procédé macroscopique de FA, qui peut remplacer ou combiner les nombreuses expériences essai-erreur dans la fabrication additive métallique.

High power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) is a thin film deposition technique where the deposition flux is predominantly composed of ionized sputtered material. This enables control of energy and direction of the film-forming species and is thereby beneficial for tailoring the film structure and final properties. Although researchers world-wide have spent significant time and efforts characterizing and understanding the plasma process conditions in HiPIMS, research in new and improved HiPIMS-based thin film materials that find applications in areas of importance for society is still required. The goal of this work has been to identify and optimize the deposition parameters that allow tailoring the film microstructure, intrinsic stress and energy-related properties, such as electrical resistivity and optical band gap, to ultimately achieve superior HiPIMS coatings compared to what is achieved today using conventional deposition techniques. Three material systems constitute the core of the work: copper, titanium dioxide, and titanium nitride. From the work carried out it is concluded that the most important parameters affecting the film structure and properties are the amount as well as the kinetic energy of the ionized sputtered species irradiating the film during growth. These parameters differ substantially for optimum growth conditions of metallic and compound films., La pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) est un procédé de dépôt de couches minces dans lequel le flux de dépôt est principalement composé d’ions du matériau pulvérisé. Ce type de décharge permet de contrôler l’énergie et la direction des espèces qui seront déposées, ce qui est favorable à la modification de la structure et des propriétés finales des couches. Malgré tous les travaux de recherches menés pour caractériser et comprendre les conditions de décharge HiPIMS, la nécessité de développer des couches minces utiles à la société reste toujours d’actualité. La finalité de ce travail est l’obtention de couches minces HiPIMS plus performantes que celles obtenues aujourd'hui en utilisant des techniques de dépôt classiques. Pour cela il est indispensable d'identifier et d'optimiser les paramètres de dépôt permettant de modifier à la fois la microstructure des couches, la contrainte résiduelle et les propriétés liées à l'énergie telles que la résistivité électrique et la bande interdite. Trois matériaux sont au cœur de ce travail : le cuivre, le dioxyde de titane et le nitrure de titane. Les études expérimentales ont montré que les paramètres les plus importants pour obtenir les propriétés souhaitées étaient la quantité et l’énergie cinétique des espèces ionisées irradiant la couche au cours de sa croissance. Par ailleurs, les paramètres de croissance optimale entre couches métalliques et couches composées diffèrent considérablement.

High power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) is a thin film deposition technique where the deposition flux is predominantly composed of ionized sputtered material. This enables control of energy and direction of the film-forming species and is thereby beneficial for tailoring the film structure and final properties. Although researchers world-wide have spent significant time and efforts characterizing and understanding the plasma process conditions in HiPIMS, research in new and improved HiPIMS-based thin film materials that find applications in areas of importance for society is still required. The goal of this work has been to identify and optimize the deposition parameters that allow tailoring the film microstructure, intrinsic stress and energy-related properties, such as electrical resistivity and optical band gap, to ultimately achieve superior HiPIMS coatings compared to what is achieved today using conventional deposition techniques. Three material systems constitute the core of the work: copper, titanium dioxide, and titanium nitride. From the work carried out it is concluded that the most important parameters affecting the film structure and properties are the amount as well as the kinetic energy of the ionized sputtered species irradiating the film during growth. These parameters differ substantially for optimum growth conditions of metallic and compound films.; La pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) est un procédé de dépôt de couches minces dans lequel le flux de dépôt est principalement composé d’ions du matériau pulvérisé. Ce type de décharge permet de contrôler l’énergie et la direction des espèces qui seront déposées, ce qui est favorable à la modification de la structure et des propriétés finales des couches. Malgré tous les travaux de recherches menés pour caractériser et comprendre les conditions de décharge HiPIMS, la nécessité de développer des couches minces utiles à la société reste toujours d’actualité. La finalité de ce travail est l’obtention de couches minces HiPIMS plus performantes que celles obtenues aujourd'hui en utilisant des techniques de dépôt classiques. Pour cela il est indispensable d'identifier et d'optimiser les paramètres de dépôt permettant de modifier à la fois la microstructure des couches, la contrainte résiduelle et les propriétés liées à l'énergie telles que la résistivité électrique et la bande interdite. Trois matériaux sont au cœur de ce travail : le cuivre, le dioxyde de titane et le nitrure de titane. Les études expérimentales ont montré que les paramètres les plus importants pour obtenir les propriétés souhaitées étaient la quantité et l’énergie cinétique des espèces ionisées irradiant la couche au cours de sa croissance. Par ailleurs, les paramètres de croissance optimale entre couches métalliques et couches composées diffèrent considérablement.

International audience; The Laue microdiffraction technique was used to investigate the strain field caused by the shot-peening operation and its redistribution after thermal hold or fatigue in a model nickel-based superalloy with an average grain size of 40$\mu$m. Micrometer and millimeter size mappings showed that the plastic deformation introduced by shot-peening in the whole sample partially relaxes after a thermal exposure at 450∘C and was fully redistributed by the fatigue of the material, except in the hardened layer close to the sample edge. Diffraction patterns permitted to measure separately the strains related to the average alloy ($\gamma$+$\gamma$′) and to the γ′ phase. No difference was observed between the two deviatoric strain fields. Even if there were small stresses in the inner part of the samples, the sensitivity of the Laue microdiffraction method was large enough to quantitatively characterize the crystal misorientations and the deviatoric strain redistributions. Useful data were provided not only at the grain scale but also at the mesoscopic scale, thus bridging the gap between the sin$^2$$\psi$ and Ortner’s methods used to determine residual stresses, respectively, in fine and single-grain microstructures. The obtained results are also of first interest for a quantitative comparison with HR-EBSD measurements in the scanning electron microscope. Energy coupled measurements with an energy-dispersive point detector were also performed to determine the full elastic strain tensors associated with the $\gamma$ and $\gamma$′ phases. We demonstrated that, for Ni-based superalloys, the accuracy on strains and stresses was, respectively, of the order of 1×10$^{−3}$ and $250$ MPa for the diagonal components of tensors. The measurements suffered from the 150 eV resolution of the detector which made it difficult to the separate the energies of the $\gamma$ and $\gamma$′ phases. Owing to large crystal misorientations, the microdiffraction technique was not able to determine elastic strains and hardening in the highly deformed layer, where a large amount of plastic strain and a number of defects were accumulated. Some improvements are proposed to overcome these difficulties.

National audience; La fabrication des plaques en 316L de grandes tailles et de faibles épaisseurs destinées aux échangeurs thermiques passe par plusieurs étapes de fabrication (laminage, traitement thermique et finalement l’usinage), afin au final de les assembler. Durant ce processus, des contraintes résiduelles seront générées, redistribuées et relaxées. En conséquence, des déformations plus ou moins importantes seront engendrées à chaque étape de la gamme de fabrication. Ce qui implique l’apparition d’erreurs dimensionnelles et de forme impactant leur planéité. D’abord, une simulation numérique des étapes de pré-usinage a été effectuée pour analyser la distribution des contraintes résiduelles internes. Pour ce faire, les données d’entrée manquantes doivent être déterminées, ainsi que les valeurs des coefficients d'échange thermique (avec l'eau et l'air) et de l'émissivité (avec l'air). La méthode inverse couplée à des algorithmes d’optimisation a été utilisée pour définir les paramètres manquants au modèle numérique. Ensuite, la mesure de la répartition des contraintes résiduelles à travers l'épaisseur sera faite par la méthode d'enlèvement des couches pour la comparer avec les résultats de la simulation numérique. Afin de consolider la validité de la modélisation, des mesures par diffraction de neutrons ont été réalisées.

Journées Ouvrages d'Art, METZ, FRANCE, 14-/06/2017 - 15/06/2017; Le grenaillage de précontrainte est un traitement de surface qui s'applique à tous les matériaux métalliques soudés ou non. Il a pour objet de substituer les contraintes résiduelles existantes de traction par des contraintes résiduelles de compression de fortes amplitudes. L'écrouissage à température ambiante permet également de réduire le coefficient de concentration de contrainte en éliminant les défauts de surfaces comme les traces d'usinages ou les défauts au pied de cordon de soudure. Ces deux phénomènes combinés permettent d'augmenter la durée de vie en fatigue des pièces mécaniques.Il peut être utilisé de façon préventive et peut parfaitement s'appliquer en maintenance à condition d'éliminer les fissures existantes puis de choisir des paramètres adaptés et d'appliquer un procédé contrôlé suivant les normes existantes. Nous avons étudié ce procédé sur des cordons de soudure d'éprouvettes en acier S355 de grandes tailles. Le procédé de soudage utilisé pour réaliser les éprouvettes en T est le procédé Metal Active Gas (MAG). Les contraintes résiduelles après soudages et après grenaillage ont été mesurées au pied du cordon de soudure par la technique de diffraction aux rayons X. Celles-ci ont montré que les opérations de soudages créent des contraintes résiduelles de traction de l'ordre de +100 MPa sur une profondeur de 1 mm alors que le grenaillage quant à lui, permet de créer des contraintes de compression de plus de -200 MPa sur la même profondeur. Les essais de fatigue en traction ondulée, réalisés sur les éprouvettes grenaillées donnent des durées de vie 10 fois plus importantes que les éprouvettes brutes de soudage. Des investigations numériques validées par les résultats expérimentaux ont en outre permis de réaliser une étude paramétrique permettant l'optimisation des procédés de soudage et de grenaillage de précontrainte. L'application du traitement sur site nécessite des précautions particulières mais est parfaitement réalisable.

Shot-peening is widely used on roots of high pressure turbine blade to postpone crack initiation in stress concentration area. This pre-stressing introduces compressive residual stress and strain hardening in a surface layer which will influence lifetime. The aim of this thesis is to propose a methodology which allows taking into account the impact of such pre-stressing and their evolution on the fatigue behaviour of a single crystal nickel-based superalloy (AM1) used for high pressure turbine blades. Firstly, the experimental work is devoted to the determination of the initial mechanical state (residual stresses and strain hardening). Residual stresses are namely determined using X-ray diffraction involving the use of a specific method developed by Ortner. This experimental initial mechanical state is then introduced as an input in structure calculation. The wellknown method involving the direct introduction of eigenstrain profiles is used and improved to also introduce strain hardening variables and the complete anisotropic mechanical state in all the integration points of the structure. The next step consist in following experimentally and modeling the evolution of these quantities under thermal and mechanical loads under an uniform temperature (650°C). Finally, the complete lifetime assessment is carried out on representative shot-peened samples. Results are discussed with respect to experimental fatigue tests.; Le grenaillage est souvent utilisé sur les pieds d’aube de turbine haute pression afin de retarder l’apparition des fissures dans les zones de concentration de contraintes. Ce traitement de surface génère des contraintes résiduelles et de l’écrouissage en surface de la pièce, ce qui influe sur sa durée de vie. L’enjeu de cette thèse est de mettre en place une méthodologie permettant de prendre en compte cet état mécanique initial, ainsi que son évolution en service, dans l’analyse de durée de vie d’une aube élaborée en superalliage monocristallin à base de nickel (AM1). Tout d’abord, cet état mécanique (contraintes résiduelles et écrouissage) est déterminé expérimentalement. Les contraintes résiduelles sont notamment évaluées par diffraction des rayons X en utilisant la méthode d’Ortner. Cet état mécanique est ensuite introduit dans les calculs de structure. Pour cela, on s’inspire de la méthode connue de l’introduction directe du champ d’eigenstrains qui est, ensuite, étendue afin d’introduire également les variables d’écrouissage ainsi que l’état mécanique anisotrope complet dans toute la structure. L’étape suivante a visé à suivre expérimentalement et à modéliser l’évolution de ces quantités sous sollicitations thermique, d’une part et cycliques à température constante (650°C), d’autre part. Enfin, la chaîne complète de calcul de durée de vie de l’AM1 est appliquée afin d’analyser la durée de vie des éprouvettes grenaillées. Les résultats obtenus sont discutés en regard des essais de fatigue effectués sur éprouvettes représentatives.

Le martelage à haute fréquence est un procédé en plein essor dans le domaine du parachèvement des joints soudés. Son influence significative sur la tenue à la fatigue de tels assemblages en font l'une des techniques les plus prometteuses comparée aux traitements mécaniques courants en précontrainte. Cette présentation s'attache, à travers quelques résultats expérimentaux issus de la bibliographie, à présenter les principaux effets de ce procédé, suivie d'une étude plus théorique et relativement élargie aux traitements par impacts. Enfin, nous y présentons succinctement deux méthodes de prédiction de la tenue à la fatigue des assemblages soudés traités par martelage à haute fréquence.

Silica thin films are widely used as low index layers in antireflective coatings. In the ophthalmic industry, they are deposited at ambient temperature, by electron beam vaporization. This process generates large compressive stresses which make the coatings susceptible to damage. It is thus crucial to understand how these stresses emerge. However, this problem is highly complex because many process parameters may play a role: substrate and residual gas properties, characteristics of the deposition chamber, of the electron gun, growth rate,… Moreover, these parameters may depend on each other and affect several phenomena at the same time. In this thesis, numerical simulations and experiments are performed in order to identifiy the mechanisms responsible for the generation of compressive stresses during film growth. The experiments reveal three regimes of growth, depending on the residual gas pressure. Near ultra high vacuum, where the effect of residual gas is negligible, films grow under compression. Then, as pressure increases, incorporation of gas species in the films slightly compresses them. Eventually, when pressure is high enough so that vaporized particles are slowed down by collisions with gas particles, the level of compression significantly decreases; this rapidly masks the incorporation effect. Molecular dynamics simulations allow us to explore the ideal vacuum limit. By depositing silica films in a vast ensemble of conditions, we find that their compressive state of stress is solely controlled by the mean kinetic energy of incident particles. Comparison with experiments suggests that this energy is equal to a few eV, which is at least ten times greater than predictions from the literature on deposition. This unexpected result leads us to refute the idea that electron beam vaporization would be equivalent to simple themal heating. We confirm this experimentally, by comparing films deposited from silicon monoxide either thermally evaporated or vaporized using an electron beam: the formers grow under tension while the latters under compression. Finally, we explain the ejection of particles of a few eV as coming from the very low electrical conductivity of silica: under electronic irradiation, charges accumulate at its surface and accelerate the charged vaporized particles by Coulombian repulsions; Les films de silice dont sont constitués les traitements antireflets des verres de lunettes sont déposés par vaporisation au canon à électrons, à température ambiante. Ils sont le siège de fortes contraintes résiduelles compressives qui diminuent considérablement leur stabilité mécanique. Ces contraintes sont difficiles à contrôler parce que les paramètres process qui les affectent sont très nombreux: propriétés du substrat, du gaz résiduel, caractéristiques de l’enceinte et du canon à électrons, vitesse de croissance,… Ils ne sont par ailleurs pas tous indépendants et agissent souvent sur plusieurs phénomènes physiques à la fois. Dans cette thèse, nous mettons en œuvre des simulations numériques et des expériences pour identifier les mécanismes à l’origine de la mise en compression des films de silice pendant leur croissance. Les expériences nous permettent de distinguer trois régimes de croissance, en fonction de la pression de gaz résiduel. Sous vide très poussé, où le gaz a un rôle négligeable, les films croissent en compression. Ensuite, à mesure que la pression augmente, l’incorporation d’espèces issues du gaz dans les films les comprime légèrement. Enfin, lorsque la pression augmente encore, le ralentissement des particules vaporisées par le gaz diminue fortement le niveau de compression et masque l’effet d’incorporation. Les dépôts de silice par dynamique moléculaire nous permettent d’explorer la limite de vide idéal. Grâce à une étude paramétrique systématique, nous trouvons que la mise en compression des films est exclusivement contrôlée par l’énergie cinétique moyenne des particules incidentes. En outre, les valeurs expérimentales ne peuvent être retrouvées qu’avec une énergie de quelques eV, au moins dix fois plus grande que toutes les prédictions formulées dans la littérature sur le dépôt. Ce résultat inattendu nous conduit à réfuter l’idée que la vaporisation au canon à électrons procéderait par simple échauffement thermique. Nous le confirmons en déposant expérimentalement des films à partir de monoxyde de silicium, évaporé thermiquement ou vaporisé au canon à électrons: les premiers croissent en tension, les seconds en compression. Finalement, pour expliquer les quelques eV prédits, nous proposons que sous irradiation électronique, une concentration de charges se forme à la surface de la silice en raison de sa très faible conductivité électrique. Les particules vaporisées qui sont chargées sont alors accélérées par répulsion Coulombienne

International audience; The shot-peening operation is used to improve the fatigue lifetime of mechanical components through the introduction of compressive residual stresses and plastic deformation in a surface layer. In this study, the Laue microdiffraction technique is used to investigate deviatoric strain fields caused by the shot-peening operation and their redistribution after fatigue testing in a nickel-based polycrystalline superalloy with a 40 µm average grain size.

15th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, XV PCSMGE , BUENOS AIRES, ARGENTINE, 15-/11/2015 - 18/11/2015; Residual stresses generated during the pile installation are usually observed and considered in the interpretation of conventional pile load tests. However, in the case of helical piles, residual stresses can be generated by previous loadings. At the end of the unloading stage in tension tests, the shaft resistance is reversed, and the helices are maintained forced against the soil. The occurrence of residual stresses measured at the lower portion of the shaft, close to the helices, was observed in four tension tests performed on instrumented helical piles in Brazil. This paper discusses the outcomes of these tests on helical piles installed in two different sites of tropical residual soil. The results illustrate that the amount of residual stresses is greater for piles with less contribution of shaft resistance in the pile uplift capacity.

GC 2015, PARIS, FRANCE, 18-/03/2015 - 19/03/2015; La fatigue est, après la corrosion, la seconde pathologie à laquelle les gestionnaires d'ouvrages métalliques sont confrontés. Dans le cadre de l'amélioration de la durée de vie en fatigue de structures soudées, il est important de noter que les performances des assemblages soudés dépendent de deux aspects principaux : la géométrie qui définit les niveaux de concentration des contraintes et le niveau des contraintes résiduelles dues au procédé de soudage. En ce qui concerne la géométrie, elle peut être évaluée en fonction de la forme du cordon de soudure. La détermination des contraintes résiduelles au coeur des assemblages relève quand à elle de la mise en oeuvre de méthodes de mesure destructives et il n'est donc pas possible de les déterminer sur site pour les structures étudiées. Le travail proposé dans cet article s'attache dans un premier temps à présenter des investigations expérimentales réalisées pour l'étude de l'efficacité de deux opérations de parachèvement sur assemblages soudés (le meulage et le grenaillage). Pour ce faire, des résultats en termes de modifications des géométries locales, des contraintes résiduelles, et d'amélioration de la durée de vie en fatigue sont présentés. Afin de pouvoir proposer une démarche prédictive, un premier travail numérique est ensuite abordé et consiste en la modélisation du processus de soudage pour évaluer le niveau de ces contraintes résiduelles. Cette méthode repose sur l'utilisation de calculs thermomécaniques aux éléments finis sous le logiciel Msc Marc & Mentat [1]. Les niveaux de contraintes résiduelles obtenus sont ensuite comparés aux mesures expérimentales réalisées initialement sur échantillon non paracheÎ par DRX. L'efficacité des techniques de parachèvement étudiées a déjà été prouÎe dans plusieurs études mais seulement dans le cadre de la conception de nouvelles structures et non dans le cadre de la maintenance de structures existantes. Une des perspectives de l'étude présentée consiste donc à Îrifier l'efficacité des méthodes proposées dans le cadre d'assemblages ayant déjà subi de la fatigue mécanique. La seconde perspective concerne le développement de modélisation permettant de prendre en compte les opérations de parachèvement.

Functional perovskite oxides are of great interest for fundamental and applied research thanks to the numerous physical properties and inherent mechanisms they display. With the maturation of thin film deposition techniques, research teams are able to reproduce oxide films and nanostructures of great crystalline quality with some of the most remarkable properties found in physics, a state leading now to upper-level thoughts like their ability to fulfill industrial needs. This thesis work is an answer to some of the problematics that arise when considering the oxide transition from the research to the industrial world, by focusing on their integration for micromechanical devices (MEMS) such as sensors. In order to ease the access to MEMS manufacturing, it is of importance to allow the deposition of thin oxide films on semiconductor substrates. A first study show that these access bridges can be crossed when using appropriate buffer layers such as SrTiO3 deposited on Silicon or gallium arsenide – produced in close collaboration with INL by Molecular Beam Epitaxy - and yttria-stabilized zirconia directly grown on silicon by pulsed laser deposition, which adapts the surface properties of the substrate to perovksite-based materials. Formation of thin epitaxial and monocristalline films of functional oxides is thus allowed on such buffer layers. As an example, characterization of two mixed-valence manganites La0.80Ba0.20MnO3 and La0.67Sr0.33MnO3 demonstrates that both materials are of excellent crystalline quality on these semiconducting substrates and that their physical characteristics match the one found on classical oxide substrates like SrTiO3. Stress evolution in thin films, which has a major effect in epitaxial materials, is then addressed to quantify its impact on oxide microstructure viability. This work gives an identification of the most significant factors favoring stress generation in the case of the films we produced. Then, based on the deformation measurement of free-standing cantilevers made of manganites on pseudo-substrates, and with the support of appropriate analytical models, a new state of equilibrium is established, giving new information about the evolution of static stress from deposition to MEMS device manufacturing. Solutions to manage their reproducibility is then studied. From another perspective, free-standing microstructures made of monocristaline manganites were used to display the effect of dynamical strain on their electrical resistivity (piezoresistivity) and their inherent structures.Finally, a specific example of the capabilities of reproducible free-standing microbridges made of manganites is presented through the conception of a pressure gauge based on Pirani effect. Indeed, it is shown that the abrupt resistivity change this material exhibits near their metal-to-insulating transition creates high temperature coefficients in standard application environments that can be taken as an advantage to improve the sensibility and power consumption of such gauges whose development had significantly slowed down over the past years. A set of improvements on their sensitivity range and their signal acquisition is also presented. Combined to a specific and innovative package, it is also demonstrated that Pirani gauge capabilities can be enhanced and that the complete devices fulfill embedded application requirements., Les oxydes sont des matériaux complexes possédant une physique riche et toujours au centre de nombreuses recherches. Parmi ces oxydes, les manganites ont retenu notre attention car ils présentent une transition métal-isolant abrupte en température, générant un très fort coefficient en température en conditions d’environnement standards. L’objectif de ce travail est de démontrer que ce fort coefficient peut être exploité pour l’amélioration des performances des jauges de pression de type Pirani qui subissent un certain essoufflement dans leur développement. La voie menant à l’aboutissement d’une telle jauge à base d’oxydes pose en revanche un certain nombre de limites technologiques à lever et auxquelles nous avons répondu. La première de ces limites concerne l’intégration des oxydes monocristallins sur silicium, que nous avons reproduite et étendue au cas des substrats de type SOI et GaAs. Nos procédés proposent de passer par deux techniques, l’épitaxie par jets moléculaire et l’ablation laser, pour assurer une croissance optimale de nos films sur ces substrats et d’assurer la reproductibilité de leur réponse en température, notamment la position de leur température de transition en accord avec l’état de l’art. L’épitaxie de ces oxydes génère un niveau de contrainte non négligeable qui n’a jamais été mesuré. En concevant divers dispositifs autosupportés, et en s’appuyant sur les considérations théoriques et des modélisations par éléments finis, nous avons pu quantifier la relaxation de cette contrainte importante et assurer près de 100% de reproductibilité des systèmes suspendus. Ces mêmes systèmes nous permettent de caractériser pour la première fois le facteur de jauge des manganites monocristallines par l’application d’une contrainte contrôlée par nanoindentation. Il est également démontré qu’ils constituent des jauges de pression Pirani à la sensibilité accrue de deux ordres de grandeur pour une consommation en puissance réduite. Des solutions permettant d’améliorer l’ensemble des aspects de ces jauges sont étudiées.

International audience; Le traitement thermochimique de nitruration est un traitement de surface permettant d'améliorer la durée de vie en fatigue des pièces traitées. Les dernières avancées dans ce domaine permettent de définir les paramètres technologiques du procédés en fonction des caractéristiques mécaniques en fatigue recherchées. Ce papier permet de parcourir l'ensemble des phé- nomènes physicochimiques (diffusion, précipitation, mécanique des matériaux) mis en jeux dans le traitement de nitruration, leurs modélisations multiéchelles et leurs limitations.

Humidity influences on the oxidation behavior of the alloy in air Inconel 600 were investigated at high temperature (600°C to 900°C) for various oxidation periods (24 hours to 150 hours) .The oxidation kinetics were studied by thermo gravimetric analysis: at a relatively low temperature (600°C to 700°C), the kinetics following a single parabolic law; at a higher temperature (800°C to 900°C), a two-stage evolution was observed, each step follows a parabolic law. In the presence of water vapor (from 0% to 19% absolute humidity) at all temperatures studied, the content of Cr in the oxide surface is higher than that oxidized without steam. Oxidation at the same temperature, the weight gain decreases in the presence of water vapor.The morphology of the oxidized surface is studied by FEG-SEM. With the presence of water vapor, the oxide layer is more compact and homogeneous. By coupling with the X-ray diffraction in low incidence (GIXRD), two oxide layers were observed in the cross section when the oxidation temperature is over 700°C with or without humidity: the outer layer contains mainly of the NiO phase and the inner layer contains spinel NiCr2O4 and Cr2O3 phase. The fractions of each phase depend on the oxidation conditions (temperature, humidity, oxidation period etc ...).Constraints studies in the oxide layers have been made by the classical method of ray diffraction sin2ψ to residual stresses as well as the in situ method for deflection of the growth stresses. Residual stresses in the two oxide layers are in compression, while the level of compressive residual stress in the NiO layer ( 800 MPa). In the presence of water vapor, the compressive residual stress increases dramatically. The analyzes and assessments of constraints (residual, growth and thermal) were performed. These results indicate that the oxidation mechanism is not only a chemical process, but a complex chemical mechanical process involving the mechanical behavior. Analysis by SIMS and XPS were performed on samples oxidized to study the atomic scattering mechanism and the role of humidity on the oxidation.; Des influences de l’humidité sur le comportement à l’oxydation sous air de l’alliage Inconel 600 ont été étudiées à haute température (de 600°C à 900°C) pour différentes durées d’oxydation (de 24 heures à 150 heures). La cinétique d’oxydation a été étudiée par l’analyse thermogravimétrie : à une température relativement basse (de 600°C à 700°C), la cinétique suit une seule loi parabolique ; à plus haute température (de 800°C à 900°C), une évolution en deux étapes a été observée, chaque étape suit une loi parabolique. En présence de la vapeur d’eau (de 0% à 19% d’humidité absolue), à toutes les températures étudiées, la teneur de Cr en surface de l’oxyde est plus élevée que celle oxydée sans vapeur d’eau. L’oxydation à une même température, la prise de masse diminue en présence de la vapeur d’eau. La morphologie de la surface oxydée est étudie par MEB-FEG. Avec la présence d’humidité, la couche d’oxyde est plus compacte et homogène. En couplant avec la diffraction des rayons X en faible incidence (GIXRD), deux couches d’oxyde ont été observées dans la section transversale quand la température d’oxydation est plus de 700°C avec ou sans l’humidité: la couche externe contient principalement de la phase NiO et la couche interne contient de spinelle NiCr2O4 et de la phase Cr2O3. Les fractions de chaque phase dépendent des conditions d'oxydation (température, taux humidité, durée d’oxydation etc…). Les études de contraintes dans les couches d’oxydes ont été effectuées par la méthode classique des sin2ψ en diffraction des rayons pour les contraintes résiduelles, ainsi que par la méthode de déflexion in situ pour les contraintes de croissance. Les contraintes résiduelles dans les 2 couches oxydes sont en compression, tandis que le niveau de contraintes résiduelles de compression dans la couche NiO ( 800 MPa). En présence de la vapeur d’eau, les contraintes résiduelles en compression augmentent de façon très importante. Les analyses et les évaluations des contraintes (résiduelles, croissance et thermique) ont été effectuées. Ces résultats indiquent que le mécanisme d'oxydation n’est pas seulement un processus chimique, mais un processus mécano-chimique complexe qui fait intervenir le comportement mécanique. Les analyses par SIMS et par XPS ont été réalisées sur des échantillons oxydés pour étudier le mécanisme de diffusion atomique et le rôle de l’humidité sur l’oxydation.

This thesis aims to show a method to highlight the influence of surface integrity obtained by turning on the fatigue of a 15-5PH steel. Several ways are developped to obtain desired surface integrities, then fatigue test are performed to observe the influence of surface integrity parameters'. Turning and ball burnishing were used to achieve specimens with differents surface integrities. Theses samples are then fully characterized in term of surface roughness and residual stresses, in a non-destructive way. Some specimens are subject to further analysis to characterize the state of the material under the surfaece. These analyses are used to create batches of specimens with very close surfaces characteristics. However, it has been shown a high sensitivity of the generated surface integrity, with respect to the workpiece diameter, which result in a significant dispersion of surface integrities obtained. Batches are then tested on a rotating bending test machine (Stress ration R=-1) thanks to the Staircase method, in order to determine the fatigue limit at two billion cycle with a 50% failure probability. The results are then compared with the surface integrities in order to determine the most influencial parameter. A comparison of the experimental datas with models in the literature is performed. It is shown that models are unable to describe the fatigue behavior with respect to the roughness or the residual stress state. The results analysis shows that residual stresses profile, in the case of 15-5PH steel, is the most influencial parameter on the fatigue life. Roughness does not appears as a factor of major influence, except in cases where residual stresses have a very low level. Prospects for improvement are finaly suggested in order to improve the consideration of surface integrity during the fatigue design of parts., Ce mémoire présente une méthode visant à mettre en évidence l’influence de l’intégrité de surface obtenue en tournage, sur la fatigue de l’acier 15-5PH. Le travail réalisé consiste à développer des moyens d’obtention de surfaces à intégrités maitrisées, puis à réaliser des essais de fatigue pour observer l’influence des paramètres d’intégrité. Les procédés de tournage et de galetage sont utilisés pour obtenir des lots d’éprouvettes possédant différentes intégrités de surfaces. Ces éprouvettes sont ensuite toutes caractérisées, en rugosité et contraintes résiduelles, de manières non destructives. Certaines éprouvettes font l’objet d’analyses complémentaires pour caractériser l’état de la matière sous la surface. Ces analyses permettent de constituer des lots d’éprouvettes possédant des caractéristiques de surfaces très proches. Toutefois, il a été mis en évidence une très grande sensibilité de l’intégrité de surface générée, vis-à-vis du diamètre de la pièce usinée, ce qui se traduit par une dispersion importante des intégrités de surface obtenues. Les lots constitués sont ensuite testés en fatigue sur une machine de flexion rotative (R = -1) selon la méthode Staircase. Cette méthode permet de déterminer la limite d’endurance avec 50 % de probabilité de rupture pour un nombre de cycles donné. Les résultats sont ensuite confrontés aux intégrités de surface des lots pour déterminer les caractéristiques les plus influentes. Une comparaison des données expérimentales est réalisée avec les modèles de la littérature. Il est montré que ces modèles ne parviennent pas à décrire de manière satisfaisante le comportement en fatigue vis à vis de la rugosité ou du niveau de contraintes résiduelles. L’analyse de ces résultats montre que le profil de contraintes résiduelles, dans le cas du 15-5PH, est la caractéristique la plus influente sur la tenue en fatigue. La rugosité n’apparait pas comme un facteur d’influence notable, à l’exception des cas où les contraintes résiduelles ont un niveau très faible. Des pistes d’améliorations sont enfin suggérées pour améliorer la prise en compte de l’intégrité de surface dans le cadre d’un dimensionnement en fatigue.

This work concerns the application of shape memory materials (SMA) to prestressing the concrete structures. The main aim of the thesis was detailed recognition of behavior of composite elements made of concrete and shape memory materials, ie nickel - titanium and copper - aluminum - beryllium wires. The tests were made on the concrete samples with a tubular cross-section and beam. The prestressed of those elements was carried out using the wire without pre-deformation and with initial deformation. The thesis shows the preparation process for the realization of prestressing using electric current: experimental verification of temperature of the phases transfers, thermo-mechanical and thermo-strength properties of SMA materials, temperature effects on the intensity of the current flowing trough SMA wires. Then it is described the research program, its implementation and analysis of results. This work also assumes the conditions of application of the technology of prestressed concrete cylinders with heating of shape memory alloys by Joule effect. Finally, the paper shows how to calculate the stresses generated in the SMA wires at each stage of research., Le travail de la thèse concerne de l'utilisation des matériaux à mémoire de forme (AMF) pour la précontrainte des structures en béton. L’étude s'est portée sur des composants structuraux composites complexes constitués de béton et de matériaux à mémoire de forme tels que des fils de nickel-titane ou de cuivre-aluminium-béryllium. Les fils ont été placés sur les éprouvettes en forme de cylindres creux ou de poutrelles de section rectangulaire. La réalisation de la précontrainte de ces éléments est effectuée par des fils d’AMF sans prédéformation ou avec la déformation initiale. La thèse montre le processus de préparation en vue de la réalisation de précontrainte en utilisant le courant électrique : vérification expérimentale de la température des phases transformations, les propriétés thermomécaniques des matériaux AMF, les effets de l'intensité de courant électrique dans le fil AMF sur sa température. Ensuite, il décrit le programme de la recherche, sa réalisation et l'analyse des résultats obtenus. Ce travail décline aussi les conditions de l'application de la technologie de précontrainte de cylindres en béton avec chauffage des alliages à mémoire de forme par effet Joule. Enfin, le document présente la procédure pour calculer les contraintes générées dans les fils AMF à chaque étape de la recherche., Niniejsza praca poświęcona jest tematyce związanej z wykorzystaniem materiałów z pamięcią kształtu do sprężania konstrukcji betonowych. Głównym celem rozprawy było szczegółowe rozpoznaniu pracy elementów kompozytowych złożonych z betonu i materiałów z pamięcią kształtu tj. drutów niklowo – tytanowych oraz miedziano – aluminiowo – berylowych. Badania wykonano na betonowych próbkach o poprzecznym przekroju rurowym i belkowym. Przeprowadzono sprężanie tych elementów za pomocą drutów bez wstępnego odkształcenia oraz ze wstępnym odkształceniem. W rozprawie pokazano proces przygotowania się do realizacji sprężania z wykorzystaniem efektu Joula tj. przeprowadzenia badań materiałowych: weryfikacji doświadczalnej temperatur przemian fazowych, właściwości termo-mechanicznych i termo-wytrzymałościowych materiałów SMA, wpływu natężenie prądu płynącego przez drut SMA na jego temperaturę. Kolejno omówiono przebieg badań oraz analizę otrzymanych wyników. Rozprawa ta zawiera opis uwarunkowań technologicznych przy wykonywaniu sprężania betonowych rur metodą ogrzewania drutów AMF za pomocą prądu elektrycznego. Ponadto, w pracy zaprezentowano opracowaną procedurę pozwalającą na obliczenie naprężeń powstałych w drutach SMA na każdym etapie procedury badawczej.

Eurosteel 2014, NAPLES, ITALIE, 10-/09/2014 - 12/09/2014; Steel structures are mainly prone to two types of degradation: corrosion and fatigue particularly in the case of welded structures. In the second case, several methods have been implemented in the last decades to improve the capacities such as shot peening or grinding for instance. Actually, welding processes induce the creation of residual stresses within the realized assembly that decrease the fatigue capacities. In order to be able to assess the possible improvement, it is therefore momentous to settle a method to determine these residual stresses. The presented work aims at studying these residual stresses using both experimental investigations and numerical work. The first part will introduce the experimental work conducted on welded T-joints. The investigations allowed to measure the created residual stresses close to the weld toe and to determine the possible improvement in fatigue of shot peened or grinded welded joints in regard with untreated assemblies.The second part will be dedicated to the description of a finite element model used for the welding process. The advantages and the drawbacks of the method will be presented and the obtained numerical results will be compared with the experimental ones.Finally, the last part will be focused on the analysis of the influence of different welding parameters on the created residual stresses. Following this study, numerical development currently under progress will allow to model shot peening operations in order to be able to study the way they affect residual stresses.

Whiskers, conductive metallic filaments that grow from metallic surfaces, are a very importantissue for reliability of electronic components. Through recent years, there has been a renewedindustrial interest on whisker growth, mainly due to the miniaturization of electronic devices andthe environmental regulations forbidding the use of lead.While most of the research has been focused on tin whiskers, there is still little reference tozinc whiskers. Electroplated zinc coatings are actually used as anticorrosive protection for lowalloy steels in diverse industries such as automotive, aerospace or energy, as well as for supportstructures or raised-floor tiles in computer data centers. In order to mitigate, prevent and predictthe failures caused by the zinc whiskers, the mechanisms of growth must be understood.By accelerated storage tests and Scanning Electron Microscopy (SEM) observation, kinetics ofgrowth of zinc whiskers was studied on low alloy chromed electroplated carbon steel.Quantitative characterization of both whisker and hillocks (density, volume and growth rate) wasrelated with the parameters temperature, electroplating electrolyte, presence of chrome, steelsubstrate thickness, zinc coating thickness and residual stress, in order to understand themechanisms of growth.Additionally, both microstructure and crystallography of zinc coating, whisker roots and actualwhiskers were studied by Electron Backscatter Diffraction (EBSD), Transmission ElectronMicroscopy (TEM), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and local grain orientationwith ASTAR setup, using Focused Ion Beam (FIB) for samples preparation. Recrystallization aswell as dislocations were observed in both whiskers and hillocks; no intermetallic compoundswere seen in neither electroplated nor whiskers.It is found that compressive residual stress relaxation and whiskers growth are two differentbut strongly interconnected phenomena both thermally activated, an each of them follows adifferent mechanism; apparent activation energies of the two phenomena are calculated, andgrain boundary diffusion is established as the main diffusion mechanism for whiskers growth.Whiskers growth kinetics, both analytical and phenomenological is proposed. Goodestimation of whiskers growth and whiskers growth rate at temperatures close to operationconditions is obtained when compared with experimental data., Whiskers, filamentos metálicos que crecen en superficies metálicas, son un problema muyimportante para la fiabilidad de componentes electrónicos. Durante los últimos años, ha habidoun renovado interés industrial en el crecimiento de whiskers, debido principalmente a laminiaturización de dispositivos electrónicos y a las regulaciones ambientales que prohíben lautilización de plomo.La mayoría de las investigaciones se concentran en los whiskers de estaño y hay todavía pocostrabajos sobre los whiskers de zinc. Los recubrimientos de zinc electrodepositado son utilizadoscomo protección anticorrosión para los aceros de baja aleación en diversas industrias, comoautomotriz, aeronáutica o energética, así como en la estructuras de soporte o tejas de techosfalsos en los centros de datos informáticos. Para atenuar, prevenir y predecir las fallas causadaspor los whiskers de zinc, los mecanismos de crecimiento deben ser comprendidos.Gracias a experimentos de almacenamiento de muestras y a observaciones por microscopíaelectrónica de barrido (SEM), la cinética de crecimiento de whiskers de zinc ha sido estudiada enaceros de baja aleación recubiertos de zinc y cromados. Para comprender los mecanismos decrecimiento de whiskers de zinc, la caracterización cuantitativa de whiskers y de protuberancias(densidad, volumen y velocidad de crecimiento) fue relacionada con los parámetros siguientes:temperatura, electrolito usado en la electrodeposición de zinc, cromado, espesor del substrato deacero, espesor del recubrimiento de zinc al igual que el estrés residual.Adicionalmente, microestructura y cristalografía del recubrimiento de zinc, de raíces dewhiskers así como de los propios whiskers fueron estudiadas por medio de la difracción deelectrones por retrodispersión (EBSD), microscopía electrónica de transmisión (TEM),microanálisis por rayos X (EDX) y el dispositivo ASTAR para la orientación local de granos; lapreparación de muestras fue realizada con la ayuda de un haz de iones localizados (FIB). Larecristalización así como las dislocaciones en whiskers y protuberancias fueron observadas;ningún compuesto intermetálico ha sido observado en los recubrimientos ni en los whiskers.Se determinó que la relajación del estrés residual de compresión y el crecimiento de whiskersson dos fenómenos diferentes pero fuertemente interconectados y térmicamente activados. Cadauno de ellos sigue un mecanismo diferente; las energías de activación aparentes de los dosfenómenos han sido establecidas, y la difusión por bordes de grano es propuesta como elprincipal mecanismo de difusión para el crecimiento de whiskers.Cinéticas de crecimiento de whiskers, a la vez analíticas y fenomenológicas son propuestas.Una buena estimación del crecimiento de whiskers y su velocidad de crecimiento a temperaturascercanas a las condiciones de operación es obtenida por comparación con los datosexperimentales., Les whiskers, filaments métalliques qui poussent sur des surfaces métalliques, sont unproblème très important pour la fiabilité des composants électroniques. Depuis ces dernièresannées, il y a eu un regain d’intérêts industriels dans le domaine de la croissance des whiskers,principalement en raison de la miniaturisation des dispositifs électroniques et des réglementationsenvironnementales interdisant l'utilisation du plomb.Alors que la plupart des recherches concernent les whiskers d'étain, il y a encore peu detravaux sur les whiskers de zinc. Les revêtements d’électrodéposés de zinc sont utilisés commeprotection anticorrosion pour les aciers faiblement alliés dans diverses industries, commel'automobile, l'aéronautique ou l'énergie, ainsi que dans les structures de soutien ou les planchersfaux plafonds dans les centres de données informatiques. Afin d'atténuer, de prévenir et deprédire les défaillances causées par les whiskers de zinc, les mécanismes de sa croissance doiventêtre compris.Grâce à des tests de stockage accéléré et à des observations par microscopie électronique àbalayage (MEB), la cinétique de croissance des whiskers de zinc a été étudiée sur des tôles d'acierau carbone faiblement allié, galvanisé et chromé. Afin de comprendre les mécanismes de lacroissance des whiskers de zinc, la caractérisation quantitative ainsi que les excroissances (densité,volume et vitesse de croissance) ont été reliées aux paramètres suivants: la température, le bainpour l’électrodéposition du zinc, la chromatation, l’épaisseur du substrat d’acier, l’épaisseur durevêtement de zinc ainsi que la contrainte résiduelle.En outre, la microstructure et la cristallographie du revêtement de zinc, des racines deswhiskers ainsi que des whiskers elles-mêmes ont été étudiées par diffraction des électronsrétrodiffusés (EBSD), microscopie électronique à transmission (MET), microanalyse par rayon X(EDX) et le dispositif ASTAR pour l'orientation locale des grains; la préparation des échantillonsa été réalisée à l’aide d’un faisceau d'ions focalisés (FIB). La recristallisation ainsi que lesdislocations dans les whiskers et les excroissances ont été observés; aucun composéintermétallique n’a été observé que ce soit dans les échantillons issus de différents bainsélectrolytes ou encore dans les films / whiskers.Il a été montré que la relaxation de contrainte de compression résiduelle et la croissance deswhiskers sont deux phénomènes différents mais fortement reliés et thermiquement activés.Chacun d'entre eux suit un mécanisme différent; les énergies d'activation apparentes des deuxphénomènes ont été établies, et la diffusion aux joints de grains est proposée comme le principalmécanisme de diffusion pour la croissance des whiskers.Des cinétiques de la croissance des whiskers, à la fois analytique et phénoménologique sontproposées. Une bonne estimation de la croissance des whiskers et de leur vitesse de croissance àdes températures proches des conditions de fonctionnement est obtenue par comparaison avecles données expérimentales.

Cold spray is a rapidly developing coating technology for depositing materials in the solid state. The cold spray particle deposition process was simulated by modeling the high velocity impacts of spherical particles onto a flat substrate under various conditions. We, for the first time, proposed the Couple Eulerian Lagrangian (CEL) numerical approach to solve the high strain rate deformation problem. The capability of the CEL numerical approach in modeling the Cold Spray deposition process was verified through a systematic parameter study, including impact velocity, initial particle temperature, friction coefficient and materials combination. The simulation results by using the CEL numerical approach agree with the experimental results published in the literature. Comparing with other numerical approaches, which are Lagrangian, ALE and SPH, the CEL analyses are generally more accurate and more robust in higher deformation regimes. Besides simulating the single particle impact problem, we also extended our study into the simulation of multiple impacts. A FCC-like particles arrangement model that inspired by the crystal structure was built to investigate the porosity rate and residual stress of deposited particles under various conditions. We observed not only the 3D profiles of voids, but also their distributions and developments during different procedures. Higher impact velocity and higher initial temperature of particles are both of benefit to produce a denser cold spray coating. The compressive residual stresses existed in the interface between the particle and substrate is mainly caused by the large and fast plastic deformation. Another simplified model for multiple impacts was created for the simulation of surface erosion. A severe surface erosion is the result of a high impact velocity, a high friction coefficient and a low contact angle. Two element failure models suitable for high-strain-rate dynamic problems were introduced in this study. For a ductile material as Copper, it followed two fracture modes in our study, which are tensile failure mode and shear failure mode. The former one mainly occurred beneath the substrate surface and the periphery of substrate craters, nevertheless the latter one was found predominately at the surface of craters. Four steps were found during the propagation of crack: void formation; crack formation; crack growth; coalescence and failure. A simple criterion equation was derived based on the simulation results for predicting the initiation of damage, which the erosion velocity v_{ero} is a function of contact angle and erosion velocity for normal impact v_{pi/2}. The equivalent plastic strain could also be a parameter for identifying the onset of damage, identified as being 1.042 for Copper in our study., La projection à froid est une technologie en plein essor pour le dépôt de matériaux à l'état solide. Le procédé de dépôt des particules par pulvérisation à froid est simulé par la modélisation de l'impact à haute vitesse de particules sphériques sur un substrat plat dans diverses conditions. Pour la première fois, nous proposons une approche numérique par couplage Euler-Lagrange (CEL) afin de résoudre ce problème à haute vitesse de déformation. Les capacités de l'approche numérique CEL pour la modélisation du processus de dépôt de projection à froid sont évaluées par une étude paramétrique de : la vitesse d'impact, la température initiale des particules, le coefficient de frottement et le choix des matériaux. Les résultats de la simulation à l'aide de l'approche numérique CEL sont en accord avec les résultats expérimentaux publiés dans la littérature. La méthode CEL est généralement plus précise et plus robuste dans des régimes de déformations élevées. Un nouveau modèle d'empilement de type CFC, inspiré de la structure cristalline, est construit afin d'étudier le taux de porosité des particules déposées et les contraintes résiduelles dans le matériau de substrat pour diverses conditions. Nous pouvons observer non seulement la géométrie 3D de porosités, mais aussi leur répartition et leur évolution pendant les impacts successifs. Pour les particules, une vitesse d'impact et une température initiale élevées, sont des avantages pour produire des revêtements denses par projection à froid. Des contraintes résiduelles de compression existent à l'interface entre les particules et le substrat. Ces dernières sont causées par les grandes amplitudes et vitesses de déformation plastique induites par le procédé. Un second modèle moins complexe pour la modélisation de l'impact multiple oblique a été créé afin de simuler l'érosion de surface. Une forte érosion de surface est le résultat : d'une plus grande vitesse d'impact, d'un coefficient de frottement élevé et d'un angle de contact réduite. Pour un matériau ductile comme le cuivre, il y a deux modes de rupture : le mode 1 de traction et le mode 2 de rupture par cisaillement. Le premier survient principalement en dessous de la surface du substrat et à la périphérie de impacts, tandis que le second intervient de manière prédominante à la surface des impacts. On observe quatre étapes lors de la propagation des fissures : la formation de porosités, de fissures, la croissance de ces dernières, puis une dernière étape de coalescence et rupture. Un critère simple, où la vitesse d'érosion est fonction de l'angle de contact et de la vitesse critique d'érosion lors d'un impact de vitesse normale , est proposé sur la base des résultats des simulations afin de prédire l'initiation de l'endommagement. La déformation plastique équivalente est également un paramètre clef pour identifier l'initiation de l'endommagement, une valeur critique de 1,042 a été trouvée dans notre étude pour le cuivre.

Eurosteel 2014, NAPLES, ITALIE, 10-/09/2014 - 12/09/2014; Most of the existing steel bridges were designed and constructed in the beginning of the twentieth century and hence are today reaching their design life. These old steel bridges are mostly riveted using predominantly wrought iron and mild steel. To maintain these old structures, owners need structural assessment methods to determine the remaining capacities in order to decide whether their design life may be increased, or whether maintenance or reconditioning operations are necessary.In order to be able to carry out such analyses, it is first momentous to get a deep understanding of both the initial stress state before service, and the loads they carried during their whole life. The presented study handles with the first topic and proposes a modelling method based on the use of finite elements. This model will allow us to obtain the pre-stress force existing in the assembly, and to identify the most critical zones where fatigue cracks should initiate.

Cold roller bending is commonly used for bending straight members with hot rolled wide-flange sections to create arches. This process induces plastic deformations along the member, so that it can acquire the desired curvature. The resulting residual stress distribution is different from the well-known residual stress pattern due to hot rolling. Extensive studies have shown that the influence of residual stresses due to hot rolling on the resistance of wide-flange steel sections is non negligible. On the contrary, the residual stress pattern due to roller bending has been only recently clearly identified and its effects on the elasto-plastic behavior of curved members have not been studied sufficiently. Thus, in this paper the influence of such residual stresses on the resistance of both wide-flange sections and corresponding arch members is investigated in detail. Taking into consideration the residual stress pattern due to cold bending, interaction diagrams are developed for combined axial load and bending moment, as well as buckling curves for cold bent steel arches. The results are quantified and compared with those for hot-rolled and stress free members. This will allow designers to appreciate the available margins of safety when using standard residual stress pattern for cold bent members. Furthermore, the results suggest the necessity for the development of buckling curves for curved members including initial imperfections.

The Zr-based bulk metallic glasses, developed since the late 1980s, have very interesting mechanical properties, which can be considered for many applications including working under oxidizing atmosphere conditions at high temperatures. It is therefore interesting to study their oxidation resistance and to characterize the oxide scale formed on alloys’ surface. The fundamental objective of this thesis is to enhance the understanding of the role of various thermodynamic and chemistry parameters on the oxidation behaviour of the Zr-based bulk metallic glasses at high temperature under dry air, to determine the residual stresses in the oxide layer, in comparison with their crystalline alloys with the same chemical composition after an annealing treatment. The oxidation kinetics of these glasses and the crystalline structure of oxide scale ZrO2 depend on the temperature and the oxidation duration: for short periods of oxidation or at a temperature below Tg, the kinetics follows a parabolic law, whereas, if the sample is oxidized at T > Tg, the kinetics can be divided into two parts. The crystalline counterparts are oxidized by a parabolic rule whatever the temperature; for long oxidation duration at a temperature close to Tg, the kinetics becomes more complex because of the crystallisation of the glasses during the oxidation tests. Also the crystalline structure of the oxide layers depends on the oxidation temperature: the oxide layer consists only in tetragonal Zirconia at T < Tg, while monoclinic Zirconia was formed at higher temperature. The mechanism of the formation of the oxide scale is due to both the interior diffusion of Oxygen ions and the external diffusion of Zirconium ions. However the diffusion of Zirconium ions slows gradually during the crystallisation process of the glass matrix. When the crystallisation is completed, the formation of Zirconia is controlled by only the internal diffusion of oxygen ions. The corresponding residual stresses existing in the oxide layer are compressive, both for the metallic glass and counterpart, and they increase linearly with the thickness of the oxide layer. The growth and residual stresses are strongly influenced by the phase transition of Zirconia during oxidation process.; Les verres métalliques massifs à base de zirconium, développés depuis la fin des années 80, présentent des propriétés mécaniques très intéressantes. Ils peuvent être envisagés pour de multiples applications y compris à des températures élevées et il est donc intéressant d’étudier leur résistance à l’oxydation dans de telles conditions. L’objectif fondamental de cette étude consiste à mieux comprendre le rôle de divers paramètre thermodynamiques et chimiques sur le comportement à l’oxydation des verres métalliques à base de zirconium à des températures intermédiaires sous air sec, à déterminer les contraintes résiduelles au sein de la couche d’oxyde formée, en comparaison avec des alliages amorphe cristallisés après un traitement de recuit. La cinétique d’oxydation de ces verres et la structure cristalline de la couche d’oxyde ZrO2 dépend de la température et de la durée d’oxydation : pour des durées courtes d’oxydation et pour une température légèrement inférieure à Tg, la cinétique d’évolution est parabolique alors que si l’échantillon est oxydé à T > Tg, la loi cinétique peut être décomposée en deux parties. Les mêmes alliages cristallisés après un traitement de recuit, s’oxydent selon une loi parabolique quelque soit la température. Pour des durées d’oxydation longues à une température proche de Tg, les lois cinétiques deviennent plus complexes et la cristallisation du verre métallique pouvant avoir lieu au cours des essais d’oxydation. De même la structure cristalline des couches d’oxyde dépend de la température d’oxydation. Ainsi, pour T < Tg, la couche d’oxyde des alliages amorphes est uniquement constituée de la zircone tétragonale alors que pour ces mêmes alliages portés à une température T > Tg et pour les alliages cristallisés, on observe de la zircone monoclinique. Les mécanismes d’oxydation dépendent de la température d’oxydation. Pour les températures où les alliages restent vitreux, la formation de l’oxyde est due à la fois à la diffusion des ions d’oxygène vers l’intérieur mais également à la diffusion des ions de zirconium vers l’extérieur de la couche. En revanche, pour les alliages en cours de cristallisation, la diffusion des ions de zirconium est progressivement freinée jusqu’à devenue nulle lorsque la cristallisation est totale, l’oxydation étant alors uniquement contrôlée par la diffusion interne des ions d’oxygène.Les contraintes résiduelles correspondantes au sein de couches d’oxyde sont de compression, aussi bien pour les alliages amorphes que pour les alliages cristallisés, et qu’elles augmentent linéairement avec l’épaisseur de la couche. Les contraintes de croissance lors de l’oxydation et résiduelle après l’oxydation sont fortement influencées par le changement de phase de la zircone.

The Zr-based bulk metallic glasses, developed since the late 1980s, have very interesting mechanical properties, which can be considered for many applications including working under oxidizing atmosphere conditions at high temperatures. It is therefore interesting to study their oxidation resistance and to characterize the oxide scale formed on alloys’ surface. The fundamental objective of this thesis is to enhance the understanding of the role of various thermodynamic and chemistry parameters on the oxidation behaviour of the Zr-based bulk metallic glasses at high temperature under dry air, to determine the residual stresses in the oxide layer, in comparison with their crystalline alloys with the same chemical composition after an annealing treatment. The oxidation kinetics of these glasses and the crystalline structure of oxide scale ZrO2 depend on the temperature and the oxidation duration: for short periods of oxidation or at a temperature below Tg, the kinetics follows a parabolic law, whereas, if the sample is oxidized at T > Tg, the kinetics can be divided into two parts. The crystalline counterparts are oxidized by a parabolic rule whatever the temperature; for long oxidation duration at a temperature close to Tg, the kinetics becomes more complex because of the crystallisation of the glasses during the oxidation tests. Also the crystalline structure of the oxide layers depends on the oxidation temperature: the oxide layer consists only in tetragonal Zirconia at T < Tg, while monoclinic Zirconia was formed at higher temperature. The mechanism of the formation of the oxide scale is due to both the interior diffusion of Oxygen ions and the external diffusion of Zirconium ions. However the diffusion of Zirconium ions slows gradually during the crystallisation process of the glass matrix. When the crystallisation is completed, the formation of Zirconia is controlled by only the internal diffusion of oxygen ions. The corresponding residual stresses existing in the oxide layer are compressive, both for the metallic glass and counterpart, and they increase linearly with the thickness of the oxide layer. The growth and residual stresses are strongly influenced by the phase transition of Zirconia during oxidation process.; Les verres métalliques massifs à base de zirconium, développés depuis la fin des années 80, présentent des propriétés mécaniques très intéressantes. Ils peuvent être envisagés pour de multiples applications y compris à des températures élevées et il est donc intéressant d’étudier leur résistance à l’oxydation dans de telles conditions. L’objectif fondamental de cette étude consiste à mieux comprendre le rôle de divers paramètre thermodynamiques et chimiques sur le comportement à l’oxydation des verres métalliques à base de zirconium à des températures intermédiaires sous air sec, à déterminer les contraintes résiduelles au sein de la couche d’oxyde formée, en comparaison avec des alliages amorphe cristallisés après un traitement de recuit. La cinétique d’oxydation de ces verres et la structure cristalline de la couche d’oxyde ZrO2 dépend de la température et de la durée d’oxydation : pour des durées courtes d’oxydation et pour une température légèrement inférieure à Tg, la cinétique d’évolution est parabolique alors que si l’échantillon est oxydé à T > Tg, la loi cinétique peut être décomposée en deux parties. Les mêmes alliages cristallisés après un traitement de recuit, s’oxydent selon une loi parabolique quelque soit la température. Pour des durées d’oxydation longues à une température proche de Tg, les lois cinétiques deviennent plus complexes et la cristallisation du verre métallique pouvant avoir lieu au cours des essais d’oxydation. De même la structure cristalline des couches d’oxyde dépend de la température d’oxydation. Ainsi, pour T < Tg, la couche d’oxyde des alliages amorphes est uniquement constituée de la zircone tétragonale alors que pour ces mêmes alliages portés à une température T > Tg et pour les alliages cristallisés, on observe de la zircone monoclinique. Les mécanismes d’oxydation dépendent de la température d’oxydation. Pour les températures où les alliages restent vitreux, la formation de l’oxyde est due à la fois à la diffusion des ions d’oxygène vers l’intérieur mais également à la diffusion des ions de zirconium vers l’extérieur de la couche. En revanche, pour les alliages en cours de cristallisation, la diffusion des ions de zirconium est progressivement freinée jusqu’à devenue nulle lorsque la cristallisation est totale, l’oxydation étant alors uniquement contrôlée par la diffusion interne des ions d’oxygène.Les contraintes résiduelles correspondantes au sein de couches d’oxyde sont de compression, aussi bien pour les alliages amorphes que pour les alliages cristallisés, et qu’elles augmentent linéairement avec l’épaisseur de la couche. Les contraintes de croissance lors de l’oxydation et résiduelle après l’oxydation sont fortement influencées par le changement de phase de la zircone.

Pure ZrO2 films were deposited by MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) by varying the deposition parameters over large range. The influence of deposition conditions on the evolution of the microstructure (morphology, crystal structure / phase, texture and residual stress) was studied and clarified. Through careful study and analysis of experimental results, three typical mechanisms of deposition of ZrO2 have been proposed. The compressive growth stresses are directly related to atomic diffusion and the trapped-in effects during deposition. The formation of crystallographic texture is complex and two types of textures were analyzed in the tetragonal phase: the fiber texture {1 1 0}t is supposed to be the result of the effect of superplastic of ZrO2 nano-crystallites and the compressive growth stress, while the facet morphology (the {0 1 1}t fiber) is due to the competitive growth of different crystallographic planes. The stabilization of the tetragonal phase of ZrO2 was analyzed and discussed. In addition to the critical size of crystallites, the stabilization of the tetragonal phase can be favored by two mechanisms: the large amount of crystal defects and morphology of crystallites., Les films de ZrO2 pur sont déposés par MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) en variant de nombreux paramètres du processus. L’influence des conditions de dépôt sur l’évolution de la microstructure (morphologies, structure cristalline/phase, texture et contrainte résiduelle) a été étudiée et clarifiée. Par des analyses approfondies des résultats expérimentaux, trois mécanismes typiques de croissance de dépôt de ZrO2 ont été proposées. Les contraintes de croissance de compression sont en relation directe avec la diffusion atomique et la quantité d’espèces piégées dans les films. La formation de la texture cristallographique est complexe et deux types de textures ont été analysées dans la phase tétragonale : la texture de fibre {1 1 0}t est contribuée par l’effet superplastique des nano-cristallites de ZrO2 et par la contrainte de croissance de compression ; tandis que la morphologie en facette est due à la croissance concurrentielle de différents plans cristallographiques. La stabilisation de la phase tétragonale de ZrO2 a été analysée et discutée. En plus de la taille critique des cristallites, la stabilisation de la phase tétragonale est favorisée par deux autres mécanismes : la grande quantité des défauts cristallins et la morphologie des cristallites.

Surface treatments are increasingly used to enhance fatigue resistance of metallic parts by improving material properties. At PSA Peugeot Citroen Company, some parts are treated thermo-chemically (by carburizing or carbonitriding) before shot-peening, in order to benefit from the advantages of each treatment. The aim of this study is to understand the combination of the effect of thermochemical treatments and of shot peening on the generation of residual mechanical fields. Experimental investigations have highlighted the following effects of shot-peening on a carburized (or carbonitrided) material in the surface layer: (a) shot-peening increases the hardness, (b) it increases considerably the level of residual stresses, (c) it makes it possible to transform residual austenite into martensite. This study deals with a finite element model of shot peening after thermochemical treatments. Mechanical state resulting from thermo-chemical processes are implemented in the model from experimental data obtained by X-ray diffraction stress analyses. Consequently, the shot-peening numerical simulation takes into account this initial state in terms of residual stresses, plastic strains and hardening parameters. Besides, the material exhibits a gradient of microstructure and mechanical properties due to the thermochemical treatment. Thus, it is modeled as a composite material, where the gradient of mechanical properties (stress-strain curve at a given depth) is linked to the in-depth measured hardness. This model is used to estimate the residual stress and plastic strain gradient following the shot peening process of an already thermochemically treated component., Les traitements de surface sont des moyens de plus en plus utilisés pour augmenter la résistance en fatigue des pièces métalliques en améliorant les propriétés du matériau. Chez PSA Peugeot Citroën, certaines pièces sont traitées thermochimiquement (par cémentation ou carbonitruration) avant d'être grenaillées de manière à tirer profit des avantages respectifs de chaque procédé. Cette étude a pour but de comprendre l'effet du couplage entre ces deux traitements de surface sur la génération des champs mécaniques. Des investigations expérimentales ont permis de mettre en évidence les effets suivant du grenaillage sur un matériau cémenté (ou carbonitruré) dans la couche superficielle: (a) le grenaillage augmente la dureté, (b) il augmente considérablement le niveau des contraintes résiduelles, (b) il permet de transformer de l'austénite résiduelle en martensite. Un modèle élément fini du grenaillage des pièces ayant été traitées thermochimiquement a été étudié. L'état mécanique après traitements thermochimiques a été déterminé expérimentalement par diffraction des rayons X. Le modèle du grenaillage prend en compte cet état initial en termes de contraintes résiduelles, déformations plastiques et de variable d'écrouissage. Le matériau est donc à gradient de propriété et se comporte tel un véritable composite. La loi de comportement en profondeur est obtenue en liant le profil de dureté aux propriétés du matériau. Le modèle permet d'estimer, entre autres, les profils des contraintes et des déformations plastiques des pièces préalablement traitées thermochimiques.

Biological soft tissues develop mechanical stresses when they grow. In close association with biological factors, those stresses contribute to shape living objects. In this work, we have explored the coupling between growth and elasticity, with a strong focus on thin bodies, either free or confined in space. We first derive a theory describing the deformations of a thin plate subjected to an arbitrary growth field. In this geometrical limit, the growth process has a simple and elegant interpretation : it is a source of mean and Gaussian curvatures. As an illustration of the theory, we study two example drawned from plant development and we show how the inhomogeneity and anisotropy of the growth field may result in spontaneous deformations. In a second time we study a generic case of confined growth in which a thin sample is bounded on one side to an elastic substrate. The accessible deformations are drastically reduced and we investigate this physical situation in a mechanical model of melanoma development. In particular, we show that this confinement, frequently encoutered in animal tissues, can lead to a stress focusing during growth. Using swelling hydrogels, we then realise an artificial tumor in which growth is confined at the periphery . The experimental results are coherent with observations on melanoma although important distinctions between biological growth and swelling are highlighted. We then discuss the inhibition of growth by mechanical stresses and precise the role of hydrogels as substitutes for biological tissues.; La croissance biologique est un ensemble de processus complexes pouvant notamment générer des contraintes mécaniques. Ces dernières contribuent, en étroite association avec les déterminants biologiques, à façonner les objets vivants. On s'est attaché dans ce travail à éclairer le couplage entre élasticité et croissance avec un accent particulier sur les objets minces, libres ou confinés. On commence par écrire une théorie permettant de décrire les déformations d'une plaque mince soumise à un champ de croissance arbitraire. Dans cette limite géométrique, on montre que la croissance possède une interprétation simple et élégante : c'est une source de courbure moyenne et de courbure de Gauss. A titre d'illustration, on étudie à travers deux exemples d'inspiration végétale le rôle des hétérogénéités et de l'anisotropie de la croissance comme sources de déformations spontanées. Dans un second temps, on s'intéresse à l'importance du confinement sur la croissance des corps minces et notamment le cas où ceux-ci possèdent une face libre et une face liée à un substrat. Cette situation où les conditions aux bords de l'objet sont maintenant antagonistes restreint fortement les structures atteignables et est explorée à travers un modèle mécanique de développement des mélanomes. On montre que ce type de confinement, fréquemment observé dans les tissus animaux, peut être à l'origine d'une importante focalisation des contraintes lors d'un processus de croissance. Finalement, on réalise expérimentalement une tumeur artificielle à l'aide d'hydrogels, capables de gonfler quand on les immerge dans un solvant. A travers cette expérience, on souligne le rôle des contraintes mécaniques dans le développement tumoral et on met en exergue la distinction entre croissance biologique et gonflage. Plus généralement, cela nous permet d'aborder l'inhibition de la croissance par les contraintes et de préciser le rôle des hydrogels comme substitut des tissus biologiques.

The challenges of weight reduction in aerospace industry have drawn considerable interest in magnesium alloys technologies. Assessing the efficiency of new joining techniques, such as Laser Beam Welding and Friction Stir Welding is then required. The aim of this study is to investigate the relationship between welding parameters and the resulting microstructure and mechanical properties. It was part of the AEROMAG European Project whose objective was the use of wrought Magnesium alloys in aeronautics. Friction Stir Welds and Laser Beam (Nd:YAG and CO2) Welds were processed using 2 mm thick hot rolled plates of AZ31, AZ61 and WE43 Magnesium alloys. The process window for LBW and FSW was determined. The weld characterisation was focused on AZ31 alloy. A relationship between welding parameters, the temperatures undergone and the weld microstructure was established for each process. FSW induced microstructural changes and complex residual stress distribution, which have a primary influence in FSW mechanical properties. The influence of texture evolution and precipitation evolution on LBW mechanical properties was also determined. Localisation features similar to shear bands were observed in both LBW and FSW. FSW resulted in a dramatic loss in mechanical properties, which could not be recovered after heat treatments, whereas LBW presented after heat treatment mechanical properties similar to those of the base metal. A comparison was made with precipitation hardenened alloys (AZ61 and WE43) mechanical properties. Finally, the potentiality of replacing aluminium alloys with these magnesium alloys was studied., En raison de la faible densité des alliages de magnésium, un intérêt grandissant est apparu pour leur application dans l'industrie aéronautique. De ce fait, il s'est avéré nécessaire de développer l'assemblage de ces matériaux, notamment par des procédés de soudage innovants, tels le soudage par Friction malaxage (FSW) et le soudage laser. Le but de ce projet est d'étudier les relations entre les paramètres de soudage, les températures et les déformations générées et enfin la microstructure et le comportement mécanique des joints soudés. Ce projet fait partie du projet européen AEROMAG qui a pour objectif de promouvoir l'utilisation des alliages de magnésium corroyés dans l'industrie aéronautique. Les alliages étudiés sont l'AZ31, l'AZ61 et le WE43 sous forme de tôles de 2mm d'épaisseur. Le matériau de base présente une forte texture de fibre par rapport au plan basal. Les soudures ont été effectuées par FSW par laser Nd:YAG et par laser CO2. Le domaine de soudabilité opérationnel (DSO) a été déterminé pour chacun des procédés. Ensuite, l'analyse des joints soudés s'est plus spécialement focalisée sur les soudures optimisées d'AZ31. Une relation entre les paramètres de soudage et la microstructure des joints soudés a pu être trouvée. Le procédé de FSW entraîne une évolution de la microstructure et de l'état de contraintes résiduelles qui ont montré une influence déterminante sur le comportement mécanique des joints soudés. En ce qui concerne le soudage laser, l'influence prépondérante se situe dans l'évolution des textures et de l'état de précipitation. Des localisations de déformation assimilables à des bandes de cisaillement ont été identifiées dans chacun des procédés. Une comparaison a été menée en vue d'établir le procédé le mieux adapté à l'assemblage de tôles de magnésium laminées. Le FSW provoque une diminution très importante des propriétés mécaniques et l'utilisation de traitements thermique n'a pas permis de recouvrer les propriétés du matériau de base; tandis que les propriétés mécaniques des joints soudés laser après traitement thermique sont proches de celles du matériau de base. Une comparaison a été effectuée avec les propriétés mécaniques des joints soudés d'alliages de magnésium à durcissement structural (AZ61 et surtout WE43). Enfin, leur potentialité pour remplacer les alliages d'aluminium a été étudiée.

The work of the thesis concerns the fine modeling of the thermomechanical and metallurgical behavior of steels in order to determine the residual mechanical state of the structures during welding or heat treatment operations. For these cases, difficulties mainly arise in the modeling of the solid-solid phase transformations as well as in the modeling of the mechanical behavior of the multiphasic material. Within an original theoretical framework - generalized standard materials with internal constraints - we proposed models for the behavior of multiphasic material in which the individual mechanical behavior of each phase is supposed to be known and the macroscopic behavior is then obtained using a Reuss model. It is necessary to mention that each phase can present a specific mechanical behavior (plastic or viscoplastic) and the effect of the TRIP - Transformation Induced Plasticity - can be taken into account, which constitutes the originality of the thesis. The models have been implemented into the numerical code COMSOL-Multiphysics and an experimental test presenting similar phenomena as those encountered during welding or heat treatment operations has been simulated. Comparisons between numerical and experimental results show the performance as well as the flexibility of our approach for the simulation of thermomechanical and metallurgical behavior of steels during welding or heat treatment operations., Le travail de la thèse porte sur la modélisation fine des lois de comportement thermomécaniques et métallurgiques des aciers afin de déterminer l'état mécanique résiduel des structures lors d'une opération de soudage. Il s'agit de définir les cinétiques de transformation de phases à l'état solide ainsi que le comportement mécanique du matériau multiphasé. Dans un cadre théorique original-les matériaux standards généralisés avec des liaisons internes-nous avons proposé des modèles de comportement pour un matériau multiphasé pour lesquels le comportement mécanique propre à chaque phase est supposé connu. Le comportement macroscopique du mélange est ensuite obtenu via l'hypothèse de Reuss (modèle en série). Soulignons que chaque phase peut présenter un comportement spécifique (plastique ou viscoplastique) et l'effet de la plasticité de transformation (TRIP¬-TRansformation Induced Plasticity) peut être prise en compte, ce qui constitue l'originalité de la thèse. Les modèles ont été implantés dans COMSOL-Multiphysics et deux simulations ont été effectuées dans le but de reproduire des essais représentatifs des phénomènes rencontrés lors d'une opération de soudage ou de traitement thermique des aciers. Les résultats fournis par nos modèles ont été comparés aux résultats expérimentaux issus de la littérature. On a pu ainsi montré que les évolutions thermiques, métallurgiques et mécaniques corrèlent de manière satisfaisante avec l'expérience. Cela confirme la performance et la souplesse de notre approche dans la simulation numérique des structures métalliques sous chargements thermomécaniques anisothermes avec la présence de transformations microstructurales.

The aim of this work is to use a product-process approach in order to optimize high cycle fatigue properties of forged parts. Then, it is essential to take into account residual stresses and also anisotropic properties of forged parts, to take benefit of the potential properties provided by this forming process. These anisotropic properties depend on the direction of solicitations compared to the grain flow orientation. The behaviours of material containing defects (inclusions above a critical size in our case), for which the fatigue properties depend directly on defects, and materials "without defects", are both studied. In the case of ductile inclusions, the anisotropic properties are mainly induced by the stretching of these inclusions. A modified Murakami criterion is proposed for such materials and the microstructural part of the anisotropy is also studied. In the same time we determine how to model the grain flow orientation in the numerical software Forge3®, which is devoted to the simulation of forming process. This new variable must be used afterwards to calculate the modified criterion. Finally, a full optimization loop including forging and fatigue calculation is carried out on a real part.; Ce travail s'inscrit dans une démarche d'intégration produit-procédé en vue d'optimiser les propriétés en fatigue illimitée des pièces de forge. Dans le domaine de la fatigue, afin de tirer bénéfice du procédé de forgeage il est indispensable de tenir compte, d'une part, des contraintes résiduelles issues de la mise en forme, mais également du comportement anisotrope des pièces, fonction de la direction des sollicitations vis-à-vis du fibrage de la pièce. Nous distinguons les matériaux dits sains et les matériaux à défaut, pour lesquels le comportement en fatigue est tributaire des inclusions. Pour ces derniers, dans le cas d'inclusions malléables, l'allongement des inclusions suivant la direction du fibrage constitue l'origine principale de l'anisotropie observée. Un critère dérivé de l'équation de Murakami est alors proposé. Une partie de l'anisotropie provient néanmoins de la microstructure, et cet aspect est également étudiée. Parallèlement, nous nous attachons à décrire de quelle manière le fibrage peut être modélisé dans le logiciel de simulation numérique de mise en forme Forge3®, pour être ensuite utilisé dans le calcul du critère de fatigue proposé. Une stratégie d'optimisation complète incluant calculs de forgeage et de fatigue est finalement illustrée sur une pièce réelle.

The aim of this work is to use a product-process approach in order to optimize high cycle fatigue properties of forged parts. Then, it is essential to take into account residual stresses and also anisotropic properties of forged parts, to take benefit of the potential properties provided by this forming process. These anisotropic properties depend on the direction of solicitations compared to the grain flow orientation. The behaviours of material containing defects (inclusions above a critical size in our case), for which the fatigue properties depend directly on defects, and materials "without defects", are both studied. In the case of ductile inclusions, the anisotropic properties are mainly induced by the stretching of these inclusions. A modified Murakami criterion is proposed for such materials and the microstructural part of the anisotropy is also studied. In the same time we determine how to model the grain flow orientation in the numerical software Forge3®, which is devoted to the simulation of forming process. This new variable must be used afterwards to calculate the modified criterion. Finally, a full optimization loop including forging and fatigue calculation is carried out on a real part.; Ce travail s'inscrit dans une démarche d'intégration produit-procédé en vue d'optimiser les propriétés en fatigue illimitée des pièces de forge. Dans le domaine de la fatigue, afin de tirer bénéfice du procédé de forgeage il est indispensable de tenir compte, d'une part, des contraintes résiduelles issues de la mise en forme, mais également du comportement anisotrope des pièces, fonction de la direction des sollicitations vis-à-vis du fibrage de la pièce. Nous distinguons les matériaux dits sains et les matériaux à défaut, pour lesquels le comportement en fatigue est tributaire des inclusions. Pour ces derniers, dans le cas d'inclusions malléables, l'allongement des inclusions suivant la direction du fibrage constitue l'origine principale de l'anisotropie observée. Un critère dérivé de l'équation de Murakami est alors proposé. Une partie de l'anisotropie provient néanmoins de la microstructure, et cet aspect est également étudiée. Parallèlement, nous nous attachons à décrire de quelle manière le fibrage peut être modélisé dans le logiciel de simulation numérique de mise en forme Forge3®, pour être ensuite utilisé dans le calcul du critère de fatigue proposé. Une stratégie d'optimisation complète incluant calculs de forgeage et de fatigue est finalement illustrée sur une pièce réelle.

The relaxation of the residual stress during the tempering process is strongly related to the evolutions of the microstructure and thermomechanical properties. Thus, the simulation of the evolution of residual stresses requests the coupling of the temperature field, the phase transformations and the stress and strain evolutions all along the process. In this work, firstly, a metallurgical model has been developed to describe the tempering kinetics: nucleation, growth (or dissolution) and coarsening of the epsilon carbide and the cementite. This model allows to predict the evolutions of the matrix composition, the type, size and distribution of the precipitates during the tempering of martensite for low and middle alloyed steels. Secondly, based on the microstructure parameters calculated by the metallurgical model, a thermomechanical model has been also developed to predict the evolution of the flow stress of tempered martensite. The thermomechanical model not only takes into account the different hardening mechanisms (solution hardening, precipitate hardening and the dislocation hardening), but also the effect of deformation temperature. An experimental validation of the two models has been performed for a 80MnCr5 steel using the results obtained by electron transmission microscopy and thermomechanical dilatometry. Finally, the metallurgical model and the thermomechanical model have been implemented into the finite element calculation software ZeBuLoN to simulate the evolution of internal stress during the quenching and tempering process. A first analysis of the stress relaxation during tempering has been performed.; La relaxation des contraintes résiduelles de trempe au cours du revenu dépend fortement des évolutions des microstructures et du comportement thermomécanique. Ainsi, la prévision de l'évolution des contraintes résiduelles nécessite le couplage entre les calculs des champs de température, des transformations de phases, des contraintes et des déformations au cours du traitement. Dans ce travail, nous avons développé un modèle métallurgique pour décrire les cinétiques de précipitation au cour du revenu : la germination, la croissance et la coalescence (ou dissolution) du carbure epsilon et de la cémentite. Ce modèle permet de calculer les évolutions de la composition chimique de la matrice, du type, des distributions de taille des précipités lors du revenu de la martensite d'aciers faiblement alliés. Dans une deuxième étape, nous avons développé un modèle thermomécanique permettant de prédire l'évolution de la contrainte d'écoulement de la martensite revenue, basé sur les évolutions des paramètres microstructuraux obtenus par le modèle métallurgique. Le modèle thermomécanique prend en compte les différents mécanismes de durcissement (durcissement par solution solide, durcissement par les précipités et durcissement par dislocations), et l'effet de la température de déformation. Une validation expérimentale de ces modèles a été menée dans le cas de l'acier 80MnCr5 en s'appuyant sur des résultas obtenus par microscopie électronique à transmission et dilatométrie thermomécanique. Les modèles métallurgique et thermomécanique ont finalement été introduits dans le logiciel de calcul par éléments finis ZeBuLoN pour simuler l'évolution des contraintes internes lors de la trempe et du revenu. Une première analyse de la relaxation des contraintes au cours du revenu a été effectuée

A new Pseudo-Grazing Incident X-Ray Diffraction (Pseudo-GIXRD) method for experimental stress analysis, noticed sin2 *, was developed to analyze the residual stress (RS) gradient in coatings. This method takes into account the crystalline orientations, the geometry of measurement (the incidence angle, the tilt angles and the thickness of analyzed layer) in order to know the exact depth of penetration. By this method, we can not only evaluate the average level of the RS in coatings, but also determine the gradient and their distribution by varying the incident angles for various desired penetration depths. Uncertainties of measurement were then evaluated and the influence of the surface roughness was studied with some samples loaded by known mechanical traction. An analytical model was established for the correction of the roughness influence on RS determination. In addition, a machined sample of Nickel based alloy with strong RS gradient was studied by applying our sin2 * method to evaluate the sensitivity of this method. Two series of thin film (Cu on the substrate of Ni with a phase obtained by PVD and Tantalum on the substrate of Ti with two phases a and b obtained by CVD) were applied by the new method to study the distribution of RS in these near surface layers. The comparison of the results obtained with those by two other methods showed that this new Pseudo-GIXRD method is reliable and easy to be used to determine the level and the distribution of RS., Une nouvelle méthode d'analyse par diffraction des rayons X (DRX) en incidence rasante, notée sin2 *, a été développée pour répondre à la demande d'analyse du niveau et la distribution des contraintes résiduelles (CR) dans un revêtement. La méthode est basée sur la technique de DRX en faible incidence et elle tient compte des orientations cristallines et de la géométrie de mesure (l'angle d'incidence, les angles et de l'épaisseur de couche à analyser) afin de connaître la profondeur de pénétration exacte du faisceau incident. Par cette méthode, on peut non seulement évaluer le niveau moyen des CR dans le revêtement, mais également déterminer le gradient et la distribution en variant l'angle d'incidence pour différentes profondeurs de pénétration voulues. Les incertitudes de mesure ont été ensuite évaluées, et l'influence de la rugosité de surface a été étudiée avec des éprouvettes sous sollicitation mécanique connue. Un modèle analytique a été établi pour la correction de l'influence de la rugosité sur la détermination des CR. Par ailleurs, une éprouvette en alliage base nickel rectifiée avec un fort gradient de contrainte résiduelle a été étudiée en appliquant notre méthode sin2 * pour évaluer la sensibilité de la méthode développée. Deux séries d'échantillons de revêtements (Cuivre sur substrat Ni élaboré par le procédé PVD, et Tantale biphasé sur substrat Ti élaboré par le procédé CVD) ont été étudiées avec la nouvelle méthode d'étude afin d'analyser la distribution des CR. La comparaison des résultats avec deux autres méthodes a montré que cette nouvelle méthode d'évaluation par DRX en faible incidence est fiable et facile à utiliser pour déterminer le niveau et la distribution des CR.

Due to environmental and economic constraints, machining is currently a field under development. Hard turning is a recently developed process which makes it possible to machine hardened steels (i.e. with hardnesses higher than 45 HRc). It is possible to obtain, without lubrication, a part with a precision and surface quality near to those resulting from grinding. The control of the machining process requires the comprehension of the mechanisms intervening in the cutting zone. These depend both on the nature of the tool used and on the material. This study is principally concerned with the effect of the microstructure on the machinability of bearing steel and the resulting surface integrity. The bearing steel (100Cr6) was studied in various metallurgical states characterized by the presence or absence of carbides in a bainitic or martensitic matrix. The two metallurgical states were studied for identical hardnesses ranging between 45 HRc and 59 HRc. Several mechanical and thermal analyses techniques were used to better understand the driving mechanisms during the formation of chips. In particular, a thermotribometer was used to describe the influence of the microstructure and hardness on the tribology of the interface 100Cr6-cBN. Indeed, it is shown that the presence of carbides increases the coefficient of friction. Hopkinson bar tests made it possible to identify, by a reverse approach, the Johnson-Cook material behaviour laws for different metallurgical states. The tests were carried out on hat-shaped specimens. With this type of test it is possible to reproduce the dynamic shearing in the primary shear zone generated in the cut. The influence of hardness on the yield values was highlighted. Conventional straight turning tests (3D turning) were then carried out. The results showed that the cutting force is relatively insensitive to the metallurgical state of the material. Three different types of behaviour were observed with the cutting speed. The evolution of the surface integrity with respect to the cutting parameters was quantified by the resulting surface quality and residual stress measurements. The surface quality is improved for slow advances, a hardness of 55 HRc and with the presence of carbides. High hardness and the absence of carbides tend to generate more compressive surface residual stresses. Complementary orthogonal cutting tests (2D turning) made it possible to examine the thermal aspects of the cutting zone, by using a CCD-Near Infra-red camera. In addition, the analysis of the chips and white layers were carried out. It is shown that the presence of carbides increase the temperature of the secondary shear zone, whereas they decrease the temperature at the emergence of the primary shear zone. The existence of a white layer on the reverse faces of the chips and on the machined surfaces was established. It is shown that the white layer is more intense for high speeds and more homogeneous for the metallurgical state without carbide. Very localised shearing and a rise in the temperature support its appearance. Lastly, we will explain these influences through a comparison of the results obtained with those of the material behaviour study., Aujourd'hui, en raison des contraintes environnementales et économiques, l'usinage fait parti des domaines en plein développement. Le tournage dur est un procédé récent qui permet d'usiner des aciers traités avec des duretés élevées supérieures à 45 HRc. Il permet en particulier d'obtenir, sans lubrification, des pièces avec un état de surface et une précision proche de ceux issus de la rectification. La maîtrise du procédé d'usinage nécessite la compréhension des mécanismes intervenant dans la zone de coupe. Ces derniers dépendent d'une part de la nature de l'outil utilisé et d'autre part du matériau. Cette étude concerne principalement l'effet de la microstructure d'un acier à roulement sur l'usinabilité et les caractéristiques d'intégrité de surface. Cet acier (100Cr6) a été étudié avec différents états métallurgiques caractérisés par la présence ou non de carbures dans une matrice bainitique ou martensitique. Les deux états métallurgiques ont été étudiés pour des duretés identiques comprises entre 45 HRc et 59 HRc. Plusieurs techniques d'analyses mécaniques et thermiques ont permis de mieux comprendre les mécanismes moteurs lors de la formation des copeaux en usinage dur. En particulier, un thermotribomètre a été utilisé pour décrire l'influence de la microstructure et la dureté sur la tribologie du couple 100Cr6-cBN. En effet, il est montré que le coefficient de frottement augmente avec la présence de carbures. Un banc d'essais de barres Hopkinson a permis d'identifier par approche inverse les lois de comportement de type Johnson-Cook pour les différents états métallurgiques. Les essais ont été conduits sur des éprouvettes chapeaux permettant de reproduire le cisaillement dynamique de la zone primaire de cisaillement générée dans la coupe. L'influence de la dureté sur les constantes d'écoulement a été mise en évidence. Des essais de chariotage ont été ensuite menés. Les résultats ont montré une faible sensibilité des efforts de coupe suivant l'état métallurgique du matériau. Trois comportements différents ont été observés avec la vitesse de coupe. L'évolution de l'intégrité de surface en fonction des paramètres de coupe a été quantifiée par l'analyse de l'état de surface et des contraintes résiduelles. L'état de surface est amélioré pour de faibles avances, pour une dureté de 55 HRc et avec la présence de carbures. Une dureté élevée et l'absence de carbure ont tendance à générer des contraintes superficielles de plus en plus en compression. Des essais complémentaires en coupe orthogonale ont permis d'examiner les aspects thermiques, par caméra CCD-Proche Infrarouge, de la zone de coupe. De plus, l'analyse des copeaux et des couches blanches a été menée. Il est montré que la présence des carbures fait augmenter la température de l'émergence de la zone de cisaillement secondaire alors qu'elle fait diminuer la température de l'émergence de la zone primaire de cisaillement. L'existence de la couche blanche sur la face arrière des copeaux et sur les surfaces usinées a été établie. Il est montré qu'elle est d'autant plus intense pour des vitesses élevées et plus homogène pour l'état métallurgique sans carbure. Un cisaillement très localisé et une élévation de la température favorisent son apparition. Enfin, nous expliquons ces influences à travers une comparaison des résultats obtenus avec ceux de l'étude comportementale.

International audience; La projection laser permet de fabriquer de façon relativement simple des pièces complexes, dont les dimensions sont proches des cotes finales. Le procédé s'accompagne néanmoins d'importantes variations locales de température, à l'origine d'une microstructure hétérogène, et de contraintes résiduelles difficiles à maîtriser. Une bonne manière d'aider au développement du procédé est de mettre en place sa simulation numérique, afin de prévoir la microstructure et les contraintes résiduelles. Des conditions laser adaptées et une stratégie de balayage optimisée doivent permettre d'obtenir la microstructure désirée et des contraintes résiduelles minimisées.

A new Pseudo-Grazing Incident X-Ray Diffraction (Pseudo-GIXRD) method for experimental stress analysis, noticed sin2 *, was developed to analyze the residual stress (RS) gradient in coatings. This method takes into account the crystalline orientations, the geometry of measurement (the incidence angle, the tilt angles and the thickness of analyzed layer) in order to know the exact depth of penetration. By this method, we can not only evaluate the average level of the RS in coatings, but also determine the gradient and their distribution by varying the incident angles for various desired penetration depths. Uncertainties of measurement were then evaluated and the influence of the surface roughness was studied with some samples loaded by known mechanical traction. An analytical model was established for the correction of the roughness influence on RS determination. In addition, a machined sample of Nickel based alloy with strong RS gradient was studied by applying our sin2 * method to evaluate the sensitivity of this method. Two series of thin film (Cu on the substrate of Ni with a phase obtained by PVD and Tantalum on the substrate of Ti with two phases a and b obtained by CVD) were applied by the new method to study the distribution of RS in these near surface layers. The comparison of the results obtained with those by two other methods showed that this new Pseudo-GIXRD method is reliable and easy to be used to determine the level and the distribution of RS., Une nouvelle méthode d'analyse par diffraction des rayons X (DRX) en incidence rasante, notée sin2 *, a été développée pour répondre à la demande d'analyse du niveau et la distribution des contraintes résiduelles (CR) dans un revêtement. La méthode est basée sur la technique de DRX en faible incidence et elle tient compte des orientations cristallines et de la géométrie de mesure (l'angle d'incidence, les angles et de l'épaisseur de couche à analyser) afin de connaître la profondeur de pénétration exacte du faisceau incident. Par cette méthode, on peut non seulement évaluer le niveau moyen des CR dans le revêtement, mais également déterminer le gradient et la distribution en variant l'angle d'incidence pour différentes profondeurs de pénétration voulues. Les incertitudes de mesure ont été ensuite évaluées, et l'influence de la rugosité de surface a été étudiée avec des éprouvettes sous sollicitation mécanique connue. Un modèle analytique a été établi pour la correction de l'influence de la rugosité sur la détermination des CR. Par ailleurs, une éprouvette en alliage base nickel rectifiée avec un fort gradient de contrainte résiduelle a été étudiée en appliquant notre méthode sin2 * pour évaluer la sensibilité de la méthode développée. Deux séries d'échantillons de revêtements (Cuivre sur substrat Ni élaboré par le procédé PVD, et Tantale biphasé sur substrat Ti élaboré par le procédé CVD) ont été étudiées avec la nouvelle méthode d'étude afin d'analyser la distribution des CR. La comparaison des résultats avec deux autres méthodes a montré que cette nouvelle méthode d'évaluation par DRX en faible incidence est fiable et facile à utiliser pour déterminer le niveau et la distribution des CR.

The relaxation of the residual stress during the tempering process is strongly related to the evolutions of the microstructure and thermomechanical properties. Thus, the simulation of the evolution of residual stresses requests the coupling of the temperature field, the phase transformations and the stress and strain evolutions all along the process. In this work, firstly, a metallurgical model has been developed to describe the tempering kinetics: nucleation, growth (or dissolution) and coarsening of the epsilon carbide and the cementite. This model allows to predict the evolutions of the matrix composition, the type, size and distribution of the precipitates during the tempering of martensite for low and middle alloyed steels. Secondly, based on the microstructure parameters calculated by the metallurgical model, a thermomechanical model has been also developed to predict the evolution of the flow stress of tempered martensite. The thermomechanical model not only takes into account the different hardening mechanisms (solution hardening, precipitate hardening and the dislocation hardening), but also the effect of deformation temperature. An experimental validation of the two models has been performed for a 80MnCr5 steel using the results obtained by electron transmission microscopy and thermomechanical dilatometry. Finally, the metallurgical model and the thermomechanical model have been implemented into the finite element calculation software ZeBuLoN to simulate the evolution of internal stress during the quenching and tempering process. A first analysis of the stress relaxation during tempering has been performed., La relaxation des contraintes résiduelles de trempe au cours du revenu dépend fortement des évolutions des microstructures et du comportement thermomécanique. Ainsi, la prévision de l'évolution des contraintes résiduelles nécessite le couplage entre les calculs des champs de température, des transformations de phases, des contraintes et des déformations au cours du traitement. Dans ce travail, nous avons développé un modèle métallurgique pour décrire les cinétiques de précipitation au cour du revenu : la germination, la croissance et la coalescence (ou dissolution) du carbure epsilon et de la cémentite. Ce modèle permet de calculer les évolutions de la composition chimique de la matrice, du type, des distributions de taille des précipités lors du revenu de la martensite d'aciers faiblement alliés. Dans une deuxième étape, nous avons développé un modèle thermomécanique permettant de prédire l'évolution de la contrainte d'écoulement de la martensite revenue, basé sur les évolutions des paramètres microstructuraux obtenus par le modèle métallurgique. Le modèle thermomécanique prend en compte les différents mécanismes de durcissement (durcissement par solution solide, durcissement par les précipités et durcissement par dislocations), et l'effet de la température de déformation. Une validation expérimentale de ces modèles a été menée dans le cas de l'acier 80MnCr5 en s'appuyant sur des résultas obtenus par microscopie électronique à transmission et dilatométrie thermomécanique. Les modèles métallurgique et thermomécanique ont finalement été introduits dans le logiciel de calcul par éléments finis ZeBuLoN pour simuler l'évolution des contraintes internes lors de la trempe et du revenu. Une première analyse de la relaxation des contraintes au cours du revenu a été effectuée

RESUME. La presente etude propose la generalisation de la notion de l'etat d'auto contrainte de provenance statique des contours fermes au premier theoreme d'adaptation "Bleich–Melan" pour l'analyse elastoplastique des portiques sous un systeme de charges repetes mobiles. La formulation adoptee dans ce travail conduit a la programmation lineaire et necessite l'utilisation de la methode SIMPLEX. La methode developpee permet de definir l'etat de contrainte reel d'un portique donne sous un chargement donne. Les resultats de l'etude sont completes par une application numerique. ABSTRACT. This survey proposes the generalization of the notion of self state constraint of static origin for the closed contours and to first adaptation theorem "Bleich–Melan" for elastoplastic analysis of frames under a system of repeated mobile loads. The formulation adopted leads to the linear programming problem and necessitates the utilization of SIMPLEX method. The results of the survey are completing by a numerical application. MOTS-CLES : Etat limite/portique elastoplastique, charge repetee mobile, auto–contrainte, contrainte residuelle, programmation lineaire. KEYWORDS: Ultimate state/elastoplastic frame, repeated mobile load, auto constraint, stresses residual, linear programming. Journal des Sciences Pour l'Ingenieur No.4 2004 : 50-59

No English abstract; Notre objectif dans cette étude aura été de se rapprocher progressivement du comportement et des caractéristiques des polyéthylènes afin de décrire les mécanismes de formation des contraintes résiduelles lors du calibrage des tubes.Le modèle le plus simple, basé sur une loi de comportement liquide - solide élastique, a mis en évidence deux mécanismes de formation des contraintes résiduelles. Le premier est relié aux différences de température lors du refroidissement qui provoquent des différences de retrait dans l'épaisseur. Ceci met les couches extérieures du tube en compression et les couches intérieures en traction. Ce profil de contrainte fait se refermer le tube lorsqu'on le découpe suivant la génératriceLe second mécanisme est relié aux efforts extérieurs qui s'appliquent sur le tube. La dépression dans le calibreur maintient le tube contre la chambre de calibrage et l'empêche de se rétracter lors du refroidissement ce qui induit des contraintes de traction dans les couches solidifiées. En fait la dépression bloque le retrait thermique qui était à l'origine du premier mécanisme. Si la dépression est suffisante pour maintenir le tube jusqu'à la fin de la solidification le profil de contraintes résiduelles est nul. Les profils de contraintes intermédiaires sont obtenus par une évolution des conditions aux limites lors de la solidification, la dépression n'étant en faite pas suffisante pour maintenir le contact pendant toute la solidification.Le modèle élastique a également mis en avant l'influence des forces axiales et en particulier les forces de frottement entre le tube et la chambre de calibrage. En étirant le tube, elles tendent à diminuer son diamètre. La dépression bloque cette rétraction en plus du retrait thermique. Ceci accentue les contraintes de traction dans les couches extérieures jusqu'à inverser le profil des contraintes résiduelles. Le tube peut alors s'ouvrir lorsqu'on le découpe suivant la génératrice.Le modèle élastique est suffisant pour expliquer l'influence de la dépression sur le profil des contraintes résiduelles. Cependant les propriétés des matériaux que ce modèle peut prendre en compte restent assez éloignées de celui des polyéthylènes pendant le refroidissement.Le modèle viscoélastique que nous avons développé est original par rapport à la bibliographie dans le sens où la variation du volume spécifique et les propriétés mécanique lors de la transition fluide -- solide sont directement basés sur l'évolution du taux de cristallinité, paramètre du premier ordre sur le comportement physique du matériau.Le taux de cristallinité peut être obtenu dans le modèle soit par le modèle de cristallisation d'Ozawa soit en reprenant directement les résultats obtenus par DSC. Celui-ci est alors utilisé pour déterminer l'évolution du volume spécifique et permet de tenir de l'importante rétraction du matériau qui se produit lors de la cristallisation. L'influence du retrait du à la cristallisation doit cependant être nuancé car il se produit à des températures pour lesquelles la relaxation des contraintes n'est pas négligeable. Pour des matériaux semi-cristallins tel que les polyéthylènes, il est donc nécessaire d'utiliser un modèle viscoélastique pour pouvoir prendre en compte le retrait lors de la cristallisation.Afin de pouvoir appliquer les forces d'étirage et de frottement dès le début de la solidification, nous avons montré qu'il était nécessaire de tenir compte des contraintes dans les couches non solidifiées afin de charger progressivement les couches solidifiées. Le comportement viscoélastique des matériaux est pris en compte dans les états fluides et solide par des lois de Maxwell multimode. La répartition des contraintes prédit dans les couches fluides et solides par le modèle viscoélastique permet d'avoir une première information sur l'importance des propriétés mécaniques du matériau à l'état fluide. Les calculs permettent d'expliquer en partie l'orientation mesurée dans les couches extérieures lors de l'étude des polyéthylènes basse densité linéaire.Le modèle viscoélastique apporte peu de renseignements supplémentaires sur les mécanismes de formation des contraintes résiduelles finales mais il permet de les quantifier en utilisant des caractéristiques matériaux proches de celles des polyéthylènes lors du refroidissement.Une étude numérique confirme que le procédé de calibrage est relativement sensible à tous les paramètres du procédé et caractéristiques du matériau même si la dépression reste le paramètre de premier ordre.Finalement, les comparaisons entre les calculs et l'expérience montrent que nous sommes parvenus à borner la réalité en expliquant l'origine des contraintes résiduelles qui se forment lors du calibrage des tubes.

National audience; Cet article est la suite de l'article AM 3 695 " Modélisation de l'injection. Remplissage des moules " dans lequel a été abordée la modélisation de l'écoulement pendant la phase de remplissage. Nous abordons à présent la modélisation de l'écoulement pendant la phase de compactage, qui intervient après la phase de remplissage pour compenser le retrait de la pièce dû au refroidissement, et qui est primordial pour la qualité de la pièce. Dans la seconde partie de l'article est traité le problème des déformations de pièce en sortie de moule. Celles-ci sont liées aux contraintes résiduelles, dont les causes sont analysées et dont une mesure est faite en fin d'article.

International audience; La compréhension du procédé d'assemblage des canons à électrons passe par la modélisation numérique de ces différentes étapes. Une baguette de verre est chauffée par des chalumeaux à gaz jusqu'à fusion locale. Ensuite, la partie chaude est appliquée avec une pression donnée sur une série de grilles métalliques. Pendant le refroidissement de l'assemblage ainsi formé, l'ancrage de la griffe dans le verre est assuré par serrage thermoélastique. L'approche scientifique suivie se situe à la fois sur le plan expérimental, analytique et numérique. En particulier, on étudie la nature du contact verre/métal au cours du refroidissement par analyses inverses simples. Pour cela, on effectue différentes manipulations, mettant ou ne mettant pas en évidence le phénomène d'adhésion, et permettant la mesure des contraintes résiduelles par photoélasticimétrie. Ayant ainsi validé le modèle et les calculs, la simulation numérique est appliquée au procédé industriel réel, qui permet de produire des canons électroniques pour tubes de téléviseurs. (French) The forming of a glass/metal junction is studied through numerical simulation. In order to accurately simulate the thermo-mechanical history of the cooling stage, a specific contact algorithm between deformable bodies is used. A Maxwell thermal dependent viscoelastic law is selected to model glass deformation. The interfacial coupling is directly solved with coincident meshes and possible interfacial node relase. The contact phenomena between glass and metal during cooling are investigated through inverse analyses. They are based on different experiments with and without adhesion, allowing photo-elastic measurements of the residual stresses. Final applications to the industrial glass beading process for producing electron guns are presented.

DES REVETEMENTS SONT EFFECTUES A PARTIR D'UN BAIN DE CHROME HEXAVALENT STANDARD (250 G/L CRO 3, 2,5 G/L H 2SO 4) A DENSITE DE COURANT CONSTANTE (40 A/DM 2), LA TEMPERATURE DE CHROMAGE VARIANT ENTRE 25 ET 75\C. LES DEPOTS DE CHROME SONT CARACTERISES D'UN POINT DE VUE MICROSTRUCTURAL, MORPHOLOGIQUE ET MECANIQUE. AU-DESSOUS DE 40\C, LE CHROME SE DEPOSE PAR GERMINATION CONTINUE, LA STRUCTURE EST EQUIAXE NON TEXTUREE. AU-DESSUS DE 40\C, DES NANOGRAINS SE DEVELOPPENT PAR CROISSANCE DE GERMES. C'EST LE REGIME DE GERMINATION PUIS CROISSANCE, LA STRUCTURE EST COLONNAIRE, LE CHROME A UNE TEXTURE DE TYPE 111. A 40\C, LA STRUCTURE DES DEPOTS EST MIXTE. QUATRE IMPURETES SONT PRESENTES DANS LE CHROME : L'HYDROGENE, L'OXYGENE, LE CARBONE ET LE SOUFRE. LA CONCENTRATION EN HYDROGENE POURRAIT ETRE LIEE A LA QUANTITE DE DEFAUTS CRISTALLINS. LORSQUE LA STRUCTURE EST EQUIAXE LES CONTRAINTES RESIDUELLES SONT NEGLIGEABLES. LORSQUE LA TEXTURE 111 EST FAIBLEMENT MARQUEE, LES CONTRAINTES SONT TRES ELEVEES. AU COURS DE LA CROISSANCE DU DEPOT, LES CONTRAINTES SONT RELAXEES PAR FISSURATION. IL NE SEMBLE PAS EXISTER DE LIEN ENTRE LA PRESENCE D'IMPURETES ET LA DENSITE DE FISSURES. PLUSIEURS MODELES (HYDRURE, DEGAZAGE, COALESCENCE DES CRISTALLITES, DESORIENTATIONS ENTRE GRAINS) PEUVENT EXPLIQUER LA CREATION DE CONTRAINTES DE TRACTION DANS LE CHROME ELECTROLYTIQUE, AUCUN N'EST CEPENDANT ENTIEREMENT SATISFAISANT. LA TEMPERATURE DE RECRISTALLISATION DU CHROME EST COMPRISE ENTRE 400 ET 500\C. LA CROISSANCE DES GRAINS EST HOMOGENE LORSQUE LA STRUCTURE EST EQUIAXE OU MIXTE. LORSQUE LA STRUCTURE EST COLONNAIRE, IL Y A CROISSANCE ANORMALE DES GRAINS SITUES EN SURFACE (RECRISTALLISATION SECONDAIRE INDUITE PAR DES DIFFERENCES D'ORIENTATION). LA DURETE EST RELIEE A LA TAILLE DE GRAINS DU CHROME PAR UNE LOI DE TYPE HALL ET PETCH.

Not available, aLa prévision quantitative des contraintes résiduelles de traitement thermique nécessite la modélisation et le calcul des champs de température, des transformations de phases et de l'évolution des contraintes et des déformations au cours du traitement. Si de nombreux travaux portent sur le traitement de trempe, l'incidence de l'autorevenu et du revenu de la structure trempée a été peu étudiée. Le but de ce travail est d'analyser les conséquences de l'autorevenu de la martensite sur la genèse des contraintes internes lors de la trempe de pièces cémentées. Nous avons développé un modèle de calcul des cinétiques de transformations de phases au cours du revenu et de l'autorevenu, basé sur la connaissance des cinétiques isothermes (diagrammes TTT de revenu). Le revenu est décrit par trois transformations : la précipitation des carbures de transition, la décomposition de l'austénite résiduelle et la transformation des carbures de transition en cémentite. L'autorevenu est associé uniquement à la précipitation des carbures de transition. Une validation expérimentale de ce modèle est décrite dans le cas de l'acier 70MC5. Elle a consisté à établir expérimentalement, par dilatométrie et résistivimétrie, un diagramme de transformations au chauffage continu, à en déduire le diagramme TTT de revenu. Nous avons ensuite comparé les cinétiques et les courbes dilatométriques expérimentales et calculées pour différentes conditions de chauffage. Ce modèle métallurgique a été intégré dans le modèle de prévision des contraintes résiduelles de traitement thermique déjà développé au laboratoire. Nous avons de plus pris en compte les variations de densité provoquées par l'autorevenu de la martensite. Le calcul complet a été appliqué au cas de cylindres d'acier 27MC5 cémentés et trempés dans différents fluides (huile à 50°C, huile à 160°C, gaz (azote)) afin d'obtenir différents niveaux d'autorevenu de la martensite. Du point de vue expérimental, nous analysons les différences entre ces traitements, en comparant les évolutions de température, les résultats métallurgiques (microstructures, duretés, teneurs en austénite résiduelle) et les résultats mécaniques (profils de contraintes résiduelles). La genèse des contraintes internes est analysée à l'aide de la simulation numérique, en relation avec la chronologie des différentes transformations de phases. L'effet de l'autorevenu est précis. La comparaison entre résultats expérimentaux et numériques fait ensuite l'objet d'une discussion.

A thermoviscoplastic model is presented to characterize the macroscopic behavior of a Metal Matrix Composite (MMC) reinforced with short fibers. This analysis is based on experimental data and numerical results in order to build up the theoretical model. The experimental analysis is performed with cycling loadings and with tension-compression tests at several temperatures and for different material directions. It allows to observe the evolution of the elastic domain with temperature, time and plastic strain. The numerical analysis performed in viscoplasticity on a unit cell using the Finite Element Method (FEM), gives informations about the residual stresses and plasticity in the material after the manufacturing thermal process. The macroscopic response is then studied for different loading paths. The theoretical model is based on homogenization techniques like the homogenization of a periodic media, the self-consistent method and the transformation concentration factor tensors developed by Dvorak. These methods allow to correlate the overall and local mechanical variables together. A simplified version degenerates into a purely macroscopic constitutive model. The macroscopic constitutive equations in thermo-elasto-viscoplasticity are based on a nonlinear kinematic hardening and takes into account, on the one hand, the effects and the evolution of the initial back stress and, on the second hand, the initial anisotropy of the material and its evolution during a viscoplastic flow., Le but de cette étude est d'établir une loi de comportement macroscopique viscoplastique d'un composite à matrice métallique renforcé par des fibres courtes. La construction du modèle s'appuie sur des résultats expérimentaux et numériques, ainsi qu'une approche analytique sur la localisation. Une étude expérimentale a été nécessaire afin d'observer, en particulier, l'évolution du domaine élastique en fonction de la température, des déformations plastiques et du temps. Des essais en traction-compression et des chargements cycliques pour plusieurs températures et dans les directions d'anisotropie du matériau ont été réalisés. Des calculs numériques par éléments finis en viscoplasticité réalisés sur une cellule élémentaire représentative du composite, ont permis de quantifier les contraintes résiduelles et les déformations plastiques résultant du traitement thermique de fabrication. La réponse macroscopique du composite est ensuite étudiée pour différents chargements. Le modèle théorique est construit sur la base de techniques d'homogénéisation, en particulier, l'homogénéisation des milieux périodiques, qui fait appel à des calculs par éléments finis, et la méthode de l'inclusion équivalente purement analytique. Une relation de localisation généralisée est obtenue à partir des travaux de Dvorak, permettant de relier entre elles les variables mécaniques globales et locales. Moyennant certaines hypothèses simplificatrices, il est possible d'établir une loi de comportement purement macroscopique. Cette loi de comportement thermo-élasto-viscoplastique peut prendre en compte, les effets et l'évolution des contraintes résiduelles de fabrication ainsi que l'anisotropie initiale du matériau et son évolution au cours d'un écoulement viscoplastique.