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Étude de la fatigue en flexion rotative d'un alliage CoCrMo traité par SMAT
No full textLes effets du SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) sur les propriétés en fatigue d’un alliage CoCrMo ont été étudiés par des essais en flexion rotative. Des éprouvettes de fatigue ont été traitées par SMAT avec différentes tailles de billes (SMAT-2 et SMAT-3). La microstructure, l'intégrité de surface et la microdureté ont été caractérisées. Les essais de fatigue ont montré que le SMAT-2 générait des durées de vie plus élevées par rapport aux conditions brut d’usinage (AM) et SMAT-3. Le SMAT-2 a amélioré l'intégrité de surface, tandis que le SMAT-3 l'a détériorée en raison d'un sur-grenaillage. La résistance à la fatigue à 107 cycles a été caractérisée pour les conditions SMAT-2 et AM. Les mécanismes de fissuration ont été analysés par fractographie. Presque toutes les éprouvettes SMAT-3 et AM se sont rompues à partir de la surface, tandis que pour le SMAT-2, la fissuration a été initiée en interne, sous forme de fish-eye. L'efficacité du SMAT-2 contre une fissuration initiée en surface a été prouvée. Au centre des zones en fish-eyes, les facettes principales ont généralement été identifiées comme des sites d'initiation de fissures. La surface des fish-eyes a été mesurée afin d'estimer les facteurs d'intensité de contrainte et de prédire la durée de vie en fatigue. Certains facteurs importants comme le gradient de propriétés, les contraintes résiduelles et leur relaxation, une transformation éventuelle de phases ont également été pris en compte qualitativement dans l'analyse du processus complexe de fissuration.The effects of SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) on rotating bending fatigue properties were investigated for a CoCrMo alloy. Some fatigue specimens were processed by SMAT with different ball sizes (named SMAT-2 and SMAT-3). Microstructure, surface integrity and microhardness were characterized before and after SMAT. Fatigue tests showed that SMAT-2 presented higher fatigue life, compared to As-machined (AM) and SMAT-3 specimens. SMAT-2 actually improved surface integrity, while SMAT-3 deteriorated it by introducing surface defects due to over-peening. Fatigue strength at 107 cycles and scatter were obtained for SMAT-2 and AM groups. The cracking mechanisms of all specimens were analysed through fractography. It was revealed that almost all SMAT-3 and AM specimens fractured because of surface crack initiation, while SMAT-2 induced sub-surface cracks in form of fish-eye for most specimens. It proved the efficiency of SMAT-2 against surface originating cracks. At the centre of fish-eyes, main facets were generally identified as crack initiation sites. The areas of fish-eye zones obtained at different stress levels were measured in order to estimate stress intensity factor at crack tip and predict fatigue life. Some important factors including gradient properties, residual stress and its relaxation, phase transformation were also qualitatively taken into account in the analysis of the complex cracking process
Improvement by SMAT of the mechanical performance of 316L parts produced by additive manufacturing (SLM)
No full textL’objectif de ces travaux de thèse se concentre sur deux points ciblés pour proposer des améliorations de la qualité de pièces en 316L issues de la technologie de FA par Selective Laser Melting (SLM).Le premier consiste à identifier les effets d’un traitement mécanique SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) ainsi que des traitements thermiques sur les performances mécaniques de pièces issues de fabrication additive sous sollicitations monotone (traction) et cycliques (fatigue en flexion alternée).Le second porte sur la mise au point d’un post-traitement duplex qui combine le traitement SMAT avec un traitement thermique, réalisé soit par lampes à infrarouge, soit par passage d’un courant électrique, et d’évaluer les effets de ce nouveau type de post-traitement sur les propriétés mécaniques de l’acier 316L SLM.L'impact du traitement SMAT sur l’état de surface, la résistance mécanique en traction et la tenue en fatigue de cet alliage s'est avéré très bénéfique. L’amélioration des propriétés mécaniques a cependant été accompagné d’une baisse de ductilité. Le nouveau post-traitement duplex (SMAT/TT) a quant à lui permis d'augmenter davantage la tenue mécanique des pièces, tout en limitant leur baisse de ductilité.The objective of this PhD work is to focus on two points to propose improvements in the quality of 316L parts produced by Selective Laser Melting (SLM) AM technology.The first is to identify the effects of Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT) and heat treatments on the mechanical performance of additive manufacturing parts under monotonic (tensile) and cyclic (flexural bending fatigue) loading.The second is the development of a new duplex post-treatment that combines the SMAT with a heat treatment, using either infrared lamps or an electric current, and to evaluate the effects of this new post-treatment on the mechanical properties of a 316L SLM steel.The impact of SMAT on the surface quality, strength and fatigue life of this alloy was found to be very beneficial. However, this improvement in mechanical properties was accompanied by a decrease in ductility. The new duplex post-treatment (SMAT/TT) further increased the mechanical strength of the parts, while minimising the decrease in ductility induced by the SMAT alone
Influence of a surface nanocristallization mechanical treatment (SMAT) on the high temperature oxidation of 316L steel
No full textCe travail a permis de mettre en évidence l’impact du procédé SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) sur la résistance à l’oxydation des aciers de type AISI 316L. Cette étude a permis de comparer la composition et la morphologie des couches d’oxydes, la cinétique d'oxydation, les mécanismes de croissance et les contraintes résiduelles sur les surfaces des pièces traitées et oxydées à différentes températures. Ces observations ont montré l’existence d’un effet bénéfique du SMAT sur la résistance à l’oxydation de l’acier 316L pour des hautes températures. En effet, la cinétique d’oxydation des échantillons traités semble être reliée à une croissance préférentielle de chromine dès 700°C. Ceci nous a amenés à conclure que le procédé SMAT utilisé sur le 316L inverse la phase d’oxyde majoritaire, en inhibant la croissance de l’hématite et en favorisant celle de la chromine. Un scénario d’oxydation pour l’acier brut et Smaté a ainsi été proposé et le rôle de la densité des joints de grains introduits par le traitement a été explicité. Pendant ce travail, il a également été proposé un chaînage numérique complet qui prendrait en compte les paramètres du procédé et les propriétés mécaniques du matériau, afin de prévoir les caractéristiques de la nanostructure générée suite au traitement SMAT, en lien possible avec son influence sur l’oxydation à hautes températuresThis work aims at highlighting the impact of the SMA process (Surface Mechanical Attrition Treatment) on the oxidation resistance of steels of type AISI 316L. This study compares the composition and morphology of the oxide layers, the oxidation kinetics, the growth mechanisms and the residual stresses on the surface of treated and oxidized samples at different temperatures. These observations show a beneficial effect of the SMA process on the oxidation resistance of the 316L steel for high temperatures. Indeed, the oxidation kinetics of the treated samples is shown to be related to a preferential growth of chromia starting at 700°C. This led us to conclude that the SMAT used on the 316L reverses the main oxide phase, inhibiting the growth of the hematite and promoting the chromia. An oxidation scenario for untreated and SMATed steel samples is proposed, demonstrating the role of the density of the grain boundaries introduced by the mechanical treatment. During this work, a comprehensive numerical chaining process is proposed. It takes into account the process parameters and mechanical properties of the material, in order to predict the characteristics of the nanostructure generated by SMAT, that could influence the oxidation of this stainless steel at high temperature
Improving fatigue and wear properties of metallic alloys by combining superficial nanocrystallisation with plasma nitriding
No full textLe couplage des traitements de surface mécaniques et thermochimiques a fait l’objet de nombreuses études ces dernières années. L’objectif d’un tel couplage est l’amélioration des cinétiques de diffusion d’espèces chimiques résultant en une augmentation des profondeurs de diffusion, et/ou une diminution de la température du traitement thermochimique sur les matériaux prétraités mécaniquement. Dans cette thèse, le procédé SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) de nanocristallisation superficiel par déformation plastique sévère a été combiné avec la nitruration plasma sur un acier inoxydable 316L de qualité médicale. Ce procédé duplex permet une amélioration notable sur la capacité de diffusion de l’azote sous la surface de l’acier SMATé. Une étape intermédiaire entre le SMAT et la nitruration plasma a été proposée ; son rôle significatif pour la diffusion de l’azote a été démontré. Ainsi, la comparaison des résultats obtenus après la nitruration plasma sur les échantillons SMATés avec ceux uniquement nitrurés a permis de constater une augmentation jusqu’à 60% de l’épaisseur des couches nitrurées. Par ailleurs, de nombreux moyens de caractérisation ont été mis en œuvre à travers divers essais mécaniques de fatigue et de tribologie. Un modèle numérique multi-échelle de diffusion a également été développé pour simuler les profils de concentration d’azote après traitement duplex. Les profils de concentration d’azote simulés sont en bon accord avec les résultats expérimentauxCoupled mechanical and thermochemical surface treatments have been the subject of much research effort in recent years. The goal of such a coupling is to improve diffusion kinetics leading to increased penetration depths, and/or to decrease the treatment temperature for mechanically pretreated materials. In this work, SMAT (Surface Mechanical Attrittion Treatment), used to refine the grain size by severe plastic deformation, is combined with plasma nitriding of a 316L medical-grade stainless steel. This duplex process significantly improves nitrogen diffusion. An intermediate treatment between SMAT and plasma nitriding is also proposed and its significant effect on the nitrogen diffusion is demonstrated. Comparisons between nitrided-only samples and duplex-treated samples have shown up to 60% increase of the nitrided layer thickness. In order to better understand the link between the generated microstructures and the mechanical fatigue and tribological responses, the samples have been characterised by many different techniques. Also, a multiscale numerical model of the diffusion process is proposed in order to simulate the nitrogen concentration profiles after duplex treatment. The simulated and experimental profiles correspond rather wel
Effect characterisation of a superficial nanocrystallisation treatment (SMAT) on a CoCroMo alloy
No full textCe travail a pour objectif d’évaluer le comportement à l’usure de pièces en CoCrMo utilisé dans l’orthopédie. Le procédé de nanocristallisation superficielle SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) couplé à un polissage biomédical a été mis en œuvre dans cette étude pour améliorer les propriétés mécaniques, tribocorrosives d’un alliage CoCrMo. Dans un premier temps, une optimisation des paramètres SMAT sur un alliage CoCrMo a été réalisée. Différentes techniques de finition de surface ont ensuite été étudiées afin d’obtenir un état de surface acceptable pour des implants orthopédiques. Des techniques de caractérisation microstructurale ont alors été mises en œuvre sur des échantillons SMATés et polis : microscopie électronique à balayage et transmission (MEB ; MET), diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), diffraction de kikuchi en transmission (TKD) et diffraction des rayons X (DRX). Les résultats obtenus ont montré que le traitement SMAT peut créer un raffinement des grains en surface de l’alliage CoCrMo avec notamment la présence de nano-grains en extrême surface. Des mesures d’indentation ainsi que des essais par la méthode du trou incrémental ont été effectués. Une augmentation de plus de 30% de la dureté a ainsi été observée après SMAT ainsi que la génération de contraintes résiduelles superficielles de compression. Les propriétés tribocorrosives de l’alliage CoCrMo ont également été étudiées par des essais d’usure par pion disque, scratch tests et des essais électrochimiques avant et après SMAT.This aims of this work is to evaluate the wear behavior of CoCrMo parts used in orthopedics. The Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT) method coupled with biomedical polishing has been used in this study to improve the mechanical and tribocorrosive properties of a CoCrMo alloy. In a first step, an optimization of the SMAT parameters on a CoCrMo alloy was carried out. Different surface finishing techniques were then studied to obtain an acceptable surface finish for orthopedic implants. Microstructural characterization techniques were then applied on SMATed and polished samples: scanning and transmission electron microscopy (SEM, MET), backscattered electron diffraction (EBSD), transmission kikuchi diffraction (TKD), and ray diffraction X (XRD). The results obtained showed that the SMAT treatment can create a refinement of the surface grains of the CoCrMo alloy with the presence of nano-grains in the extreme surface. Indentation measurements as well as incremental hole tests were performed. An increase of more than 30% of the hardness was observed after SMAT as well as the generation of residual surface compressive stresses. The tribocorrosive properties of the CoCrMo alloy were also studied by disk wear tests, scratch tests, and electrochemical tests before and after SMAT
Etude expérimentale et simulation numérique des propriétés mécaniques à gradient d’aciers 316L générées par SMAT
No full textCe travail concerne la caractérisation et la simulation numérique des propriétés mécaniques locales d’aciers 316L austénitiques traités par SMAT. Un raffinement des grains, des contraintes résiduelles de compression et un phénomène d’écrouissage sont trois paramètres majeurs induits par SMAT en raison d'une déformation plastique sévère. Ainsi, de meilleures propriétés mécaniques sont obtenues avec cette microstructure à gradient,grâce aux effets combinés des différents changements induits SMAT. Alors que l'accent a surtout été mis sur les propriétés globales de la microstructure à gradient dans de précédentes études, peu d'efforts ont été consacrés à la caractérisation individuelle de chaque couche.L'objectif de ce travail est donc d'étudier individuellement les propriétés mécaniques de chaque couche constituant la zone affectée par le traitement au moyen de différentes techniques de caractérisation. La microstructure à gradient générée par SMAT a d’abord été caractérisée par EBSD. Une couche nanocristalline est générée à la surface traitée dont la taille de grains varie entre 50 et 300nm. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, la nanoindentation et des essais de compression de micro-piliers ont été mis en œuvre sur différentes zones de la microstructure à gradient. Les propriétés mécaniques de ces zones sont ainsi obtenues localement. Une autre partie de ce travail a consisté à utiliser la méthode des éléments finis pour la simulation du comportement mécanique de matériaux nanocristallins. Un modèle en 2D de plasticité cristalline a été utilisé pour cette simulation.This work focuses on the local experimental characterization of the gradient microstructure of 316L steels treated by SMAT. The gradient microstructure could be roughly divided into a top surface nanostructured layer, a transition layer and the bulk region. Grain refinement, compressive residual stress and strain hardening are three major SMAT-induced parameters as a result of severe plastic deformation induced by SMAT. Consequently, the enhanced mechanical properties of the gradient microstructure are due to the combined effects of these SMAT-induced changes. However, emphasis was mainly placed on the global properties of the gradient microstructure in previous studies and little effort was devoted to the individual characterization of each layers. The aim of this work is thus to investigate individually the mechanical properties of each layer by means of various characterization techniques. Characteristics of the gradient microstructure are first highlighted by EBSD which reveals the formation of a top surface nanostructured layer. The grain size for this layer ranges from 50 to 300 nm. As for the mechanical properties, nanoindentation and micro-pillar compression tests were carried out for the individual characterization of each layer of the gradient microstructure. The local mechanical properties could be subsequently derived according to the corresponding mechanical reponse. Another part of this work consisted of using Finite element method for the simulation of the mechanical behaviour of nanocrystalline materials. A two-dimensional crystal plasticity model was thus used for the simulation
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Shot-peening model of a nickel alloy considering work-hardening and microstructure
No full textLe grenaillage de précontrainte est un procédé de traitement de surface répandu dans le domaine industriel permettant d’augmenter la durée de vie en fatigue d’une pièce mécanique. Ce procédé demeure néanmoins empirique en raison de mécanismes mal maitrisés liés à la dissipation des contraintes résiduelles.Pour ces raisons, les disques de turbine haute pression forgés en Inconel 718 produits par Safran Aircraft Engines sont grenaillés sans que le procédé ne soit intégré à la phase de dimensionnement, à des fins purement conservatives. Les impératifs de compétitivité et de sécurité créent le besoin d’un modèle prédictif du procédé et du gain en durée de vie pour une pièce à géométrie complexe. Cette thèse est rattachée au projet CONDOR (CONtrainte, DimensiOnnement Relaxation) qui se donne pour objectif de répondre à ce besoin. Le présent travail en est la première étape, et a pour but de mettre en place un modèle numérique rendant compte de l’écrouissage généré au cours du procédé. Ce paramètre a une influence de premier ordre sur la relaxation des contraintes résiduelles.Une caractérisation poussée du matériau, tenant compte du comportement visqueux de l’Inconel 718 est réalisée, permettant, la mise en place d’un modèle numérique de grenaillage. Ce modèle prédit l’état de contrainte résiduelle et d’écrouissage, et offre une vision statistique des résultats. Une vaste campagne expérimentale de mesure par DRX sur éprouvettes grenaillées a permis de corréler le modèle. Celui-ci est ensuite utilisé afin de caractériser l’état mécanique post-grenaillageShot-peening in a surface treatment used in the industry to enhance fatigue life of a mechanical part. Nonetheless, this process remains empirical as complex phenomena linked with residual stress relaxation are not well understood yet. For these reasons, peening step of turbine disks produced by Safran Aircraft Engines, made in Inconel 718, is not considered in the dimensioning phase of the part. Today there is a need for a precise prediction of the process and the life enhancement of peened parts. This thesis is part of the CONDOR project, the objective of which is to answer this need. This work is the first step, and its goal is to build a numerical model of shot-peening able to predict the work-hardening state after the process. In fact this parameter is known to have an important role in the relaxation of residual stress.Complete assessment of the mechanical behavior of Inconel 718 is first proposed. Then the numerical model is built, able to adress the stress and work-hardening state of the peened part. A statistical approach is also proposed. An important XRD experimental campaign on peened sampled was led to correlate the model. Finally, the simulation is used to predict the mechanical state after shot-peenin
Mechanical Surface Treatments : Modelling and Experimental
No full textLes traitements de surface occupent une place très importante au niveau industriel, visant à améliorer les propriétés mécaniques des matériaux. Parmi eux, le grenaillage de précontrainte (GC) est certainement le plus renommé, même si le grenaillage ultrasonore (GUS) et le choc laser (LSP) sont de plus en plus présents. Ce travail consiste en une étude approfondie du grenaillage qui peut être divisée en trois parties. La première partie propose un modèle semi analytique pour la prédiction des contraintes résiduelles après grenaillage conventionnel ou ultrasonore. Une démarche permettant d’obtenir la déformation d’une pièce à géométrie complexe à partir des paramètres du procède de grenaillage conventionnel ou ultrasonore a été mise en place. Plusieurs simulations numériques d’impacts bille-massif ont été réalisées dans l’objectif de choisir les variables à prendre en compte dans le modèle proposé. Dans une deuxième partie, plusieurs séries de mesures expérimentales et de simulations numériques de la dynamique des billes ont été réalisées afin de permettre une optimisation et une meilleure compréhension du GUS. Dans la dernière partie de ce travail, un grand nombre de mesures expérimentales ont été menées afin d’étudier le couplage entre le grenaillage ultrasonore et la nitruration gazeuse d’un acier martensitique. Enfin, une comparaison entre le grenaillage ultrasonore, conventionnel et le choc laser est proposéeMechanical surface treatments are widely used in manufacturing industries in order to improve mechanical properties of materials. Among them, shot peening is certainly the most known, even if ultrasonic shot peening and laser shock peening are becoming more and more common. This work consists in a large study of shot peening, divided in three parts.The first one is focused on the conception of a semi analytical model for residual stress prediction after conventional shot peening or ultrasonic shot peening. An approach able to chain the whole shot peening process, starting from process parameters to residual stress field in a structure is proposed. Several numerical simulations of shot-body impacts are carried out in order to determine the parameters of the model.In the second part of this work, a characterization of the ultrasonic shot peening process is performed thanks to many experimental measurements and shot dynamic simulations.The last part of this PhD work corresponds to an experimental analysis focused on the combination of ultrasonic shot peeing with gas nitriding on a martensitic steel. A comparison between ultrasonic shot peening, conventional shot peeing and laser shock peening effects is finally propose
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