The recently proposed and novel steel heat treatment process known as quenching and partitioning (Q&P) is studied, in particular, the partitioning stage. Characterization of the partially quenched microstructure prior to the partitioning stage is enabled by using a base composition containing a higher Mn concentration than for conventional Q&P steels, such that quenching to room temperature produces only partial decomposition of austenite to martensite. Increasing the carbon concentration of this base composition also enabled a study of the effect of steel carbon content, although at the higher carbon contents refrigeration was required to achieve marten site because of the reduced Ms temperatures. Increased carbon also allowed the effect of martensite morphology to be examined. Intercritical annealing of a conventional TRIP steel composition provided an alternative route towards increasing the carbon concentration of austenite prior to partitioning. Light optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray and neutron diffraction were used to characterise the evolution of microstructure. In particular, in-situ examination of the Q&P heat-treatment process, enabled by introducing a furnace into the neutron beam-line, gave real -time observations and analyses of partitioning. Lattice parameter measurements enabled calculation of the carbon content of retained austenite, providing evidence of carbon partitioning from martensite to untransformed austenite during the partitioning stage. Thus, the partitioning process was shown to be effective in thermal and mechanical stabilization of retained austenite. In addition, evidence was found for substantial carbon enrichment of the austenite phase, which might be expected to provide opportunity for new Q&P steel grades with enhanced properties

Steel continues to be one of the primary materials in use today, however, even after 200 years of published research, innovative methods are being discovered and exploited to produce steel with enhanced properties. One such recent discovery has been termed Quenching and Partitioning (Q&P). The Q&P heat treatment process is reported to produce a multiphase microstructure consisting of retained austenite stabilised to room temperature, and a harder martensitic phase. This combination is prospected to form a new generation of high strength, formable sheet steel well suited to the demands of the automotive industry. Previous research has reported on the application of Q&P to commercial grades of steel, however, the temperatures required have hampered study of the process. In this investigation a model alloy has enabled separation of Q&P into its individual stages for closer inspection. Standard metallographic techniques were used to examine the microstructure of the material, followed by X-ray diffraction measurements to determine the stability of the austenite phase fraction before and after partitioning, confirming the effectiveness of the partitioning process in stabilising retained austenite. Estimations of carbon concentration via lattice parameter measurements have provided evidence of austenite carbon enrichment, but also suggest that some carbon remains unaccounted for, possibly as an equilibrium distribution between epsilon carbides and strained interstitial sites. In-situ partititioning in a neutron diffractometer has been utilised to obtain real-time measurements of the partitioning process. These measurements suggest that redistribution of carbon within martensite occurs before partitioning to austenite becomes kinetically significant. The trapping of carbon within energetically favourable locations is postulated to be a major factor in retarding carbon migration from martensite to austenite when compared to mathematical models of the partitioning process. Neutron diffraction measurements of carbon interstitial occupancy in austenite have also provided further evidence of austenite carbon enrichment during the partitioning process.

Les aciers Dual Phase (DP) ferrito-martensitiques sont largement utilisés sous la forme de tôles minces dans la construction automobile en raison de leur excellent compromis résistance/ductilité et donc pour leur potentiel d’allègement. Ils sont élaborés par coulée continue, laminage à chaud et à froid suivis d’un recuit continu. Durant l’étape de chauffage et de maintien de ce recuit, la microstructure ferrito-perlitique déformée issue des étapes de laminage se transforme en microstructure ferrito-austénitique recristallisée. L’expérience montre que les cinétiques de recristallisation et de transformation ainsi que la distribution spatiale et morphologique des microstructures résultantes sont très sensibles aux vitesses de chauffage. Ce travail de thèse s’intéresse aux différents mécanismes expliquant cette sensibilité comme la maturation des carbures, la restauration, la recristallisation de la ferrite et la transformation austénitique et toutes leurs interactions. Ces mécanismes métallurgiques ont été caractérisés à différentes échelles et par des approches in situ sur un acier industriel puis modéliser par des approches à base physique pour guider une possible production. Après un premier chapitre dédié aux techniques expérimentales et de modélisations utilisées, le second chapitre de ce travail s’intéresse principalement à la caractérisation de la morphogénèse des microstructures ferrito-austénitique en microscopie électronique à balayage (MEB). Le troisième chapitre est une étude détaillée en Microscopie Electronique à Transmission (MET) et par modélisation thermocinétique (ThermoCalc, DICTRA) de la composition des carbures tout au long du processus, du laminage à chaud au recuit. Restauration et recristallisation sont étudiées au chapitre 4 principalement par des expériences in situ en Diffraction des Rayons X à Haute Energie (DRXHE) sur ligne de lumière synchrotron et modélisées par une approche originale à champs moyen. Enfin, le chapitre 5 propose une étude sous DICTRA pour comprendre les cinétiques de transformation austénitique en fonction des vitesses de chauffe. Cette approche est novatrice car elle prend en compte les carbures intergranulaires de la ferrite, a été conduite en conditions anisothermes et propose une analyse fine des modes de croissance de l’austénite associées au manganèse, élément clef de la composition de ces alliages. / Ferrite/Martensite Dual-Phase steels are largely used in the form of thin sheets in the automotive industry for their excellent balance between resistance and strength and thus for their lightening potential. They are elaborated by continuous casting, hot- and cold- rolling, followed by a continuous annealing. During the heating and the soaking stages of this latter process, the deformed ferrite/pearlite microstructure obtained after rolling evolves is transformed into a recrystallized ferrite-austenite microstructure. The experiments show that recrystallization and austenite transformation kinetics as well as the resulting spatial and morphological distribution of the phases are highly sensitive to the heating rate. This PhD thesis aims at understanding the different metallurgical mechanisms explaining this particular sensitivity as carbides ripening, recovery, recrystallization and austenite transformation and all their possible interactions. The mechanisms were characterized at different scales and by in situ technics on an industrial steel and model by physical based approaches in order to drive future production lines. After a first chapter dedicated to the experimental and modeling methods, the second chapter deals with the characterization of the morphogenesis of ferrite-austenite microstructures by Scanning Electron Microscopy (SEM). Chapter 3 is a study by Transmission Electron Microscopy (TEM) and by thermokinetic modeling (ThermoCalc, DICTRA) of the chemical composition of carbides along with manufacturing, from hot-rolling to annealing. Recovery and recrystallization are studied in chapter 4 by the means of in situ High Energy X-Ray Diffraction (HEXRD) experiments conducted on a synchrotron beamline and modeled by an original mean-field approach. Finally, chapter 5 proposes an analysis with DICTRA to understand austenite transformation kinetics as function of heating rates. The proposed approach is innovative as it accounts for intergranular carbides in the ferrite matrix, is conducted in non-isothermal conditions and propose a fine analysis of growth modes of austenite associated to manganese, a key alloying element of the studied steels.

Ce travail de thèse, porte sur le développement d’une technique originale de traitement de surface par jet d’azote cryogénique. Ce procédé a été initialement développé pour le décapage et le nettoyage des surfaces. Il est ici utilisé pour obtenir un durcissement superficiel sans altération ou endommagement de la surface du matériau traité. Sous certaines conditions, dans un premier temps, nous avons appliqué la technique jet d’azote en conditions statiques de traitement afin de cartographier les domaines d’utilisation du jet en fonction des paramètres de procédé (distance de tir et temps d’exposition). On montre, un durcissement superficiel sans endommagement de la surface du matériau cible (acier austénitique AISI 316L). L’influence de la distance à laquelle la surface est traitée (distance de tir) et le temps d’exposition du jet sur l’évolution de la microstructure, le durcissement et l’endommagement en surface de l’acier AISI 316L a été étudiée. Des analyses par microscopie électronique à balayage, des analyses d’images ainsi que des mesures de microdureté ont été effectuées sur les microstructures des surfaces traitées pour quantifier les effets de traitement par jet d’azote. Le durcissement en surface, du essentiellement à la transformation martensitique, est ainsi quantifié selon les conditions d’essai. Dans un second temps, un traitement en conditions cinématiques a été réalisé en vue d’obtenir un durcissement superficiel sans endommagement de matière. Les essais de traitement en conditions cinématiques ont été essentiellement réalisés sur les surfaces d’aciers austénitiques instables, l’AISI 316L et l’AISI 304L et, ponctuellement sur l’acier stable, l’AISI 310s. L’influence de la vitesse d’avance du jet et la pression de consigne sur l’évolution de la microstructure, les fractions de martensites formées et le niveau de durcissement en surface d’aciers AISI 316L et AISI 304L ont été étudiées. Les analyses EBSD, MEB ainsi que les mesures de microdureté réalisées sur les surfaces traitées ont permis de mettre en évidence le lien entre le niveau de durcissement et la quantité de martensite induite. Le durcissement de la surface de l’acier AISI 310s, qui reste très faible comparé à celui d’aciers instables, est le résultat de l’écrouissage de sa phase austénitique. Il a été également montré qu’un traitement avec un double passage du jet conduit à l’amélioration de la microdureté en surface des trois aciers traités / This work focuses on the study of an original surface treatment technique that uses supercritical cryogenic nitrogen jet. This process was initially designed for environmentally friendly surface cleaning, where indeed such gas recycles in the air after operation. In the present work, this technique is implemented for surface hardening use without damage of the surface to be treated. Two types of operation cases are studied: static jet tool impingement, cinematic using jet tool scanning on the top surface. In fact, these two static and cinematic treatment cases can be used in industrial operations. In the first stage, the treatment was performed under static conditions in order to map the domains of use of the process. Variation of the experimental parameters (standoff distance and dwell time - treatment time-) made possible to define several uses of the nitrogen jet. In particular the hardening without any damage of the surface of the material to be treated such as AISI 316L stainless steel. Thus, the influence of the standoff distance and the dwell time on the evolution of surface microstructure and damage and hardening was studied. To quantify the effects of nitrogen jet on the microstructure, SEM (Scaning Electrons Microscope) observations and micro hardness measurements were carried out on the treated surfaces. As a result, for different conditions of treatment, the relationship between hardness and martensite rate during surface transformation process, is shown and plotted. Secondly, we focus on hardening without surface damage. The treatments were essentially carried out on both AISI 316L and AISI 304L metastable stainless steels. The influence of both torch velocity and jet static pressure on the variation of microstructure, martensite fractions and hardening level, was also studied and discussed. Thanks to both SEM/EBSD analysis and micro hardness measurements, the relationship between martensite rate and increase of hardness, is highlighted. It is also established that the treatment using several passes allows to increase the surface micro hardness without damage. Finally, it is found that, for some particular working parameters, the nitrogen jet process can also be used for surface hardening without martensitic transformation

Le développement de matériaux d'ingénierie combinant ténacité et résistance à l'usure reste encore un défi. Dans le but de contribuer à ce domaine, cette thèse présente une étude de la carbonitruration des aciers 16NiCrMo13 et 23MnCrMo5. L'évolution cinétique des atmosphères à base d'hydrocarbures et d'ammoniac est étudiée numériquement, ainsi que le comportement local à l'équilibre et la cinétique de diffusion pour l'obtention de profils d'enrichissement des alliages traités. Les simulations sont confrontées à des mesures par chromatographie en phase gazeuse des produits de pyrolyse de l'acétylène et de décomposition de l'ammoniac, et aux réponses métallurgiques, par l'évaluation des profils de diffusion, des filiations de dureté et par l'identification des précipités formés par microscopie électronique en transmission. La dureté obtenue après trempe et traitement cryogénique évolue selon la racine carrée de la teneur en interstitiels en solution solide simulée à partir de la composition locale en utilisant des mesures des profils chimiques en carbone et en azote. Après revenu, les zones enrichies en azote montrent une tenue en dureté supérieure à celles obtenues avec la même teneur totale en carbone en solution, ce qui a été attribué après observation par microscopie électronique en transmission à une fine précipitation de nitrures de fer lors de cette dernière étape de traitement. Le bilan de matière des produits de pyrolyse montre que les principales espèces non détectées sont des radicaux fortement carbonés qui peuvent aussi donner lieu à la formation d'hydrocarbures polycycliques de haut poids moléculaire dans les zones froides du réacteur. À la pression atmosphérique et à basse pression l'établissement de conditions d'enrichissement en carbone à concentration constante est possible en utilisant de faibles pressions partielles d'acétylène dilué dans l'azote. La conversion atteinte par la pyrolyse de ce précurseur est pourtant importante à la température de traitement compte tenu du temps de séjour caractéristique du réacteur employé à la pression atmosphérique. La cinétique de décomposition de l'ammoniac étant beaucoup plus lente que celle des hydrocarbures légers, il a été possible de quantifier la vitesse de décomposition de cette espèce par unité de surface métallique exposée pendant la durée d'un traitement / The development of engineering materials combining both toughness and wear resistance is still a challenge. Aiming to contribute to this field of study, this thesis presents a study of the carbonitriding process of alloys 16NiCrMo13 and 23MnCrMo5. Kinetics of hydrocarbon- and ammonia-based atmospheres, as well as local equilibrium and diffusion kinetics for achieving the enrichment profiles, are studied by numerical simulation. These simulations are compared to chromatography measurements of gas phase pyrolysis products of acetylene and ammonia decomposition, and with metallurgical responses, where the comparison is made with evaluated diffusion profiles, hardness measurements and the identification of precipitates by transmission electron microscopy. Hardness after quench and cryogenic treatment depends on the square root of total solid solution interstitial content simulated by using local carbon and nitrogen compositions obtained experimentally. After tempering, the regions enriched in nitrogen show better hardness stability than those with same total carbon interstitial content, what was linked to a fine precipitation of iron nitrides observed by transmission electron microscopy. Mole balance of pyrolysis products show that the main non-detected species are high-carbon radicals, which may also lead to the formation of polycyclic aromatic hydrocarbons of high molecular weight at the reactor outlet. At both atmospheric and reduced pressures, constant concentration enrichment boundary conditions were established by using low partial pressures of acetylene diluted in nitrogen. Pyrolysis of this precursor attains high conversion rates at treatment conditions given the important residence time of the atmospheric pressure reactor. Ammonia decomposition kinetics being much slower than that of low molecular weight hydrocarbons, it was possible to identify the decomposition rate of this species over a metallic sample during a treatment

Dans l'industrie métallurgique, le refroidissement est une étape fondamentale qui permet de donner certaines qualités aux matériaux (résistance mécanique, souplesse). L'impact d'un spray est une méthode de refroidissement connue mais mal comprise, limitant aujourd'hui ses champs d'applications. Cette thèse vise à mettre en place un outil numérique apte à l'étude et à l'optimisation futur du refroidissement par spray. La littérature met en évidence la multitude des mécanismes du refroidissement, et le peu d'informations sur les liens entre ces mécanismes et les caractéristiques du spray (diamètre, vitesse et répartition spatiale des gouttes). Pour simuler le refroidissement, on propose de séparer l'étape d'écoulement du spray de celle du calcul du refroidissement de la plaque. Une corrélation sur la densité de flux de chaleur issue de la littérature permet de lier les deux étapes. Une analyse poussée du spray est réalisée grâce à plusieurs outils expérimentaux: Analyseur à Phase Doppler, caméra rapide, mesure de débit surfacique. Les éléments clefs pour caractériser puis initialiser le spray dans la simulation sont ainsi mis en évidences. La méthode d'initialisation, la configuration numérique (Euler-Lagrange, modèle RANS k-ω), ainsi que le domaine de calcul sont validés avec l'écoulement d'un spray libre. La méthode est ensuite utilisée pour simuler l'écoulement du spray en présence d'une plaque. Finalement, le refroidissement d'une plaque est simulé. On obtient la densité de flux de chaleur extraite de la plaque en fonction des caractéristiques du spray. Cette thèse soulève des questions sur des points de simulation couramment utilisés mais menant à des erreurs dans le calcul du refroidissement / In the metallurgy industry, the cooling is a fundamental stage which allows to bring certain qualities to materials (mechanical resistance, flexibility). The impact of a spray is one known process but it is not well understood, limiting its today's scopes. This thesis aims at developing a simulation procedure, in order to obtain a useful numerical tool for the study and the future optimization of the spray cooling. Literature highlights the multitude of the mechanisms of spray cooling, but also the few existing information linking these mechanisms and the characteristics of the spray (diameter, speed and space distribution of droplets). In order to simulate the spray cooling, one proposes to split this process in two stages, the spray flow and the calculation of the cooling. Based on the literature, a correlation on the density of flow of heat removed from the plat is used to link the two stages. A full spray characterization is realized thanks to several experimental tools: Phase Doppler Analyser, speed-camera, measure of surface liquid flow density. Key elements required to characterize and also to initialize the spray in the simulation, are highlighted as well. The method of initialization, the numerical configuration (Eulerian-Lagrangian simulation, RANS k-ω turbulence model), as well as the domain of calculation are validated with the simulation of a free-fall spray. The method is then used to calculate characteristics of the spray in the presence of a surface. Finally, the cooling of plate is simulated, bringing results on the heat flow density removed from the plate in accordance with characteristics of the spray. Main results concern the highlighting of major points of simulation communally used but leading to error in the cooling simulation

La trempe à eau par jet impactant est une étape clé des traitements thermiques subis par les tubes d'acier sans soudure. Elle permet, par le contrôle des évolutions microstructurales de l'acier, de conférer des propriétés mécaniques élevées, requises par l'utilisation des tubes dans des environnements de plus en plus extrêmes (nouvelles générations de centrales électriques, forages très profonds,…). En cours de trempe, des phénomènes complexes se produisent à la fois en surface des tubes et au sein du matériau. Les mécanismes au sein du tube (diffusion thermique – transformations de phases – contraintes - déformations) sont en effet étroitement liés aux phénomènes hydrauliques et thermiques survenant en surface de celui-ci. L'ensemble de ces phénomènes et leur couplage requièrent une parfaite compréhension et maîtrise pour anticiper l'apparition de certains défauts de trempe comme le cintrage des tubes ou les tapures et optimiser le traitement thermique. Nous avons donc mis en place au cours de ce travail de thèse, une démarche en deux temps. Dans un premier temps, à l'aide de deux dispositifs originaux de refroidissement, par un jet d'eau plan impactant, d'un cylindre tournant en Ni201 préchauffé à 600°C, nous avons étudié les effets de plusieurs paramètres opératoires sur les transferts thermiques: sous-refroidissement, vitesse du jet, vitesse de déplacement de la paroi, orientation et angle d'impact du jet. A l'issue de cette campagne, de nouvelles corrélations prédisant la densité de flux maximale échangée en paroi, qui prennent en compte la mobilité de la paroi, ont été proposées. En parallèle de ces expérimentations, nous avons entrepris la simulation numérique de la configuration expérimentale en utilisant le code de mécanique des fluides Fluent. Cependant la difficulté rencontrée pour simuler, à partir des modèles d'ébullition disponibles par défaut dans le code, l'ensemble des régimes de transfert thermique –et leur occurrence, n'a pas pu être surmontée. Dans un second temps, nous avons construit, au sein du centre de recherche de Vallourec, un dispositif expérimental de refroidissement hétérogène d'un tube en acier 42CrMo4 par un jet d'eau plan impactant la génératrice supérieure. La température du tube (en plusieurs points) et le déplacement vertical en son milieu étaient mesurés lors des essais. De plus, des visualisations à l'aide d'une caméra rapide ont permis de suivre le front de remouillage en tout début de trempe. En parallèle, nous avons réalisé des simulations de ces expériences pour calculer les évolutions de température, les cinétiques de transformations de phases et les évolutions des contraintes et des déformations au sein du tube d'acier. Pour cela nous avons utilisé le code de calcul par éléments finis, Sysweld, auquel est intégré le modèle de prédiction des cinétiques de transformations de phases, PhaseRC. Un jeu de paramètres thermophysiques, thermométallurgiques et thermomécaniques a été établi en se basant sur des travaux antérieurs et sur des caractérisations expérimentales menées au laboratoire.. L'analyse des résultats des simulations a permis de comprendre l'évolution de la flèche du tube en fonction des gradients de température et de la progression des transformations de phases au cours du refroidissement. La comparaison calcul - expérience a mis en évidence des écarts que nous avons tenté d'expliquer. Nous avons proposé des pistes pour poursuivre le travail entrepris au cours de cette thèse / Jet impingement quenching is one of the key steps among the heat treatments undergone by seamless steel tubes. By controlling the steel microstructural evolutions, the heat treatment leads to specific mechanical properties which are required by the use of the tubes in extreme environment (new generation of power plants, deep drilling,…) During the quenching, complex phenomena occur both at the pipe surface and within the material. The latter (thermal diffusion – phase transformations – stress – strain) are indeed closely related to the hydraulic and thermal mechanisms occuring on the surface. All these phenomena and their interconnection must be perfectly understood and controlled to prevent the appearance of quenching defects such as tube bending and quench cracks and to get the desired metallurgical phases. To achieve this goal we have adopted a two-stage approach. Firstly, using two innovative cooling experimental devices, including a rotating Ni201 cylinder preheated up to 600°C, we have studied the effect of several operating parameters on thermal transfer: subcooling, jet velocity, velocity of the displacement of the cooled surface, direction and impact angle of the jet. Following these sets of experiments, new correlations predicting the maximum of wall heat flux density have been proposed. These correlations take into account the wall motion. Besides this experimental work, we have undertaken numerical simulations of the experimental configuration using the CFD software Fluent. However, simulating all the thermal transfer regimes, particularly the boiling regime and their transitions is still challenging when using the default encoded boiling models; we were unable to successfully complete this work. In a second step, we have built an experimental device allowing heterogeneous quenching of a 42CrMo4 steel tube by an impinging water jet. During the quenching, the tube temperature at different locations and vertical displacement evolutions were recorded. In addition, data obtained from high-speed camera recordings allowed us to monitor the evolution of the rewetting front at the onset of cooling. Numerical simulations of these experiments were conducted in order to compute the time evolutions of temperature, phase transformations, stress and strain throughout the steel tube. To this end we used the finite element calculation software Sysweld, which includes a predictive model for the kinetics of phase transformations called PhaseRC. Using bibliographic data and some laboratory experimental characterizations, we were able to build a set of thermo-physical, metallurgical and thermo-mechanical data needful for these calculations. The simulation results have allowed to understand well the bending evolution of the tube during cooling, considering the thermal gradients and the progress of the phase transformation. Comparison of the simulation results with those obtained from measurements has shown discrepancies that we have tried to explain. Some suggestions have been given for the progress of the work accomplished during this thesis

Η σφυρηλάτηση με βολή σωματιδίων (shot peening) είναι μία επιφανειακή κατεργασία που πραγματοποιείται με σκοπό την αύξηση της αντοχής μεταλλικών υλικών και εφαρμόζεται στο τελευταίο στάδιο της γραμμής παραγωγής. Η αύξηση της αντοχής επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων κοντά στην επιφάνεια του υλικού έπειτα από την κρούση σωματιδίων με υψηλές ταχύτητες. Η ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων αυξάνει την αντοχή σε κόπωση, σε εργοδιάβρωση, καθώς και σε άλλες μηχανικές καταπονήσεις και επιτρέπει την μείωση του βάρους σχεδιάζοντας διατομές με μικρότερο πάχος. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη αριθμητική προσομοίωση της κατεργασίας και εξετάζεται η μηχανική συμπεριφορά των υπό κατεργασία υλικών σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης. Συγκεκριμένα η μεθοδολογία που αναπτύσσεται περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου για την προσομοίωση της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων και τον υπολογισμό των αποτελεσμάτων της στο υλικό. Τα βήματα που ακολουθηθήκαν για την ανάπτυξη του αριθμητικού προτύπου είναι, α) ο χαρακτηρισμός του κράματος αλουμινίου 7449-Τ7651 σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης μέσω της πειραματικής διάταξης Split Hopkinson Bar που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών, β) η ανάπτυξη βοηθητικών επιμέρους αριθμητικών μοντέλων, γ) η ανάπτυξη κινηματικών μοντέλων προσομοίωσης της ροής των σωματιδίων, δ) η ανάπτυξη κριτηρίων και η εφαρμογή τους για τον υπολογισμό του ελαχίστου απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων για την προσομοίωση, καθώς και των θέσεων κρούσης, ε) η ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου πλήρους γεωμετρίας της πλάκας για την κρούση του απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων και στ) η πειραματική επαλήθευση του αριθμητικού προτύπου. Με το αριθμητικό πρότυπο που αναπτύχτηκε υπολογίστηκαν τα αποτελέσματα της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων στο υλικό και επιβεβαιώθηκαν μέσω συγκρίσεων με αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Αποτελέσματα της κατεργασίας εκτός από τις παραμένουσες τάσεις αποτελούν και η πλαστική παραμόρφωση, η σκληρότητα, η επιφανειακή τραχύτητα και κατ' επέκταση ο συντελεστής έντασης τάσης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια παραμετρική μελέτη για την επίδραση της διαμέτρου, της ταχύτητας και της γωνίας κρούσης στην ανάπτυξη των παραμενουσών τάσεων. Επίσης το αριθμητικό πρότυπο επαληθεύτηκε και για άλλα μεταλλικά υλικά. / Shot peening is a surface treatment process that is performed to increase the strength of metallic materials and is applied to the last stage of the production line (post manufacturing process). The increase in strength is achieved by the developed compressive residual stresses near the surface and the subsurface of the treated material after the impact of small diameter particles with high speeds. The developed compressive residual stresses increases the fatigue strength, the mechanical performance of the component under stress corrosion cracking (SCC), under higher stresses and allows lighter structure design. This PhD thesis presents a comprehensive numerical simulation of the Shot peening process and includes a comprehensive study of the mechanical behaviour of treated materials under high strain rates of deformation. Specifically, the methodology developed includes the development of a comprehensive numerical model to simulate Shot peening treatment and calculate the results on the treated material. The steps followed for the development of the numerical model are: a) the characterization of the Aluminium alloy 7449-T7651 at high strain rates using a Split Hopkinson Bar apparatus designed and built at the Laboratory of Technology and Strength of Materials, b) the development of auxiliary partial numerical models, c) the development of a kinematic simulation model for the analysis of the flow particles, d) the development and the application of two criteria for the successful calculation of the minimum number of particles that required for the simulation, and the impact positions e) the development of a numerical model describing the full plate geometry for the impact of the minimum number of particles required and f) the experimental verification of the numerical model. The process outcomes and results on the treated material were calculated by the numerical model developed. The numerical results that were calculated for the threaded material were confirmed by comparison with experimental results. Treatment results include the residual stresses, the plastic deformation, hardness, surface roughness, and hence the stress concentration factor. A parametric study on the effect of the diameter, speed and angle of impact to the development of residual stresses was performed. The numerical model was also verified for a number of other metallic materials.

La surface des pièces mécaniques est une zone sensible soumise à des conditions de sollicitations particulières, tant mécaniquement (frottement, contrainte maximale) que chimiquement (atmosphère ambiante, corrosion). Ainsi, la ruine des pièces de service est généralement initiée en surface ; les grands secteurs industriels sont donc à la recherche de solutions technologiques permettant une amélioration des propriétés mécaniques globales par une modification des propriétés de surface. De nombreuses techniques ont été développées dans ce but, notamment les traitements de surface mécaniques. Parmi ceux-ci, le grenaillage ultrasonique permet de déformer sévèrement et superficiellement les pièces par de nombreux impacts de billes ayant des trajectoires aléatoires au sein de la chambre de traitement. Le propos de cette étude repose sur l'analyse et la compréhension des microstructures de déformation induites par un traitement de grenaillage ultrasonique, particulièrement sous conditions cryogéniques ; sujet très peu exploré à ce jour voir nouveau concernant i) des métaux susceptibles de subir une transformation martensitique et ii) l'influence d'un tel traitement sur la tenue en fatigue cyclique. Pour ce faire, plusieurs nuances d'aciers inoxydables austénitiques présentant des stabilités différentes vis-à-vis de la transformation de phase ont été traitées à très basses températures et les propriétés obtenues ont été comparées à celles mesurées sur les échantillons traités à température ambiante. Les premières observations ont montré que, suite à un traitement sous condition cryogénique (-130 °C), une baisse de dureté intervient en sous-couche de l'alliage 310S stable, associée à une hausse des propriétés mécaniques sous basse température rendant le matériau plus difficile à écrouir. Ce phénomène est complètement supprimé au sein de l'alliage métastable 304L par une transformation martensitique facilitée, intervenant plus profondément qu'à température ambiante et entrainant une augmentation de la dureté de sous-couche. Deux alliages métastables (304L et 316L) ont donc été sélectionnés afin de détailler l'influence des paramètres de traitement sur le durcissement de sous-couche par une étude paramétrique comprenant l'amplitude de vibration (40 et 60 µm), la durée (3 et 20 min) ainsi que la température de traitement (ambiante, -80 et -130 °C). Il en ressort qu'augmenter l'énergie de traitent par une hausse de l'amplitude et/ou de la durée de grenaillage entraine une augmentation des duretés de surface et de sous-couche, accompagnée par la production de couches durcies plus épaisses. L'utilisation de températures cryogéniques permet une augmentation du potentiel de durcissement, et ce principalement en sous-couche. En associant les gradients de dureté aux distributions de martensite le long des épaisseurs affectées, il a été montré que la fraction de martensite était directement liée au potentielle de durcissement en profondeur. La fraction de martensite produite étant dépendante de la température de déformation et, afin de prendre en compte la stabilité initiale de l'alliage comme paramètre additionnel, des mesures complémentaires ont été faites sur l'alliage 316L plus stable. Les résultats ont alors montré qu'il est primordial d'adapter la température de traitement à la stabilité de l'échantillon afin d'optimiser l'efficacité du durcissement de sous-couche et éviter ainsi une baisse de la dureté en profondeur. Finalement, les structures de déformation obtenues sous condition cryogénique ont été reliées à la tenue mécanique sous sollicitations cycliques en flexion rotative. Comparé à un traitement réalisé à température ambiante, un grenaillage cryogénique permet une baisse la rugosité de surface et la production de contraintes résiduelles de compression plus élevées par la présence de martensite. Cependant, une plus grande relaxation de ces dernières associée à une réduction de l'épaisseur [...] / The surface of mechanical components is a sensitive zone subjected to particular mechanical (friction, maximum stress) and chemical (ambient atmosphere, corrosion) interactions. Hence, the rupture is generally initiated on the surface. In order to increase the global integrity of the working parts, the industrial groups are still seeking technological solutions allowing the modifications of the surface properties. Nodaway, plenty of surface modification techniques have been developed like the mechanical surface treatments. Among them, the ultrasonic shot peening (or surface mechanical attrition treatment) focus on superficially deform the mechanical parts through numerous collisions of peening medias having random trajectories inside a confined chamber. The purpose of this study is based on the analysis and the comprehension of the deformed microstructures induced by the ultrasonic shot peening treatment, especially under cryogenic temperatures. To do so, several austenitic stainless steel grades having different stabilities regarding the martensitic transformation have been treated under cryogenic conditions and compared to the properties obtained under room temperature. The first observations have shown that, after a cryogenic peening, a decrease of the subsurface hardness takes place in the stable 310S alloy which was attributed to an increase of the mechanical properties under cryogenic temperature. This phenomenon is suppressed in the metastable 304L by triggering a martensitic phase transformation promoted under low temperature and happening deeper compared to room temperature, increasing substantially the subsurface hardness. Two metastable alloys (304L and 316L) were then selected to conduct an ultrasonic shot peening parametric study including the vibration amplitude (40 and 60 µm), the treatment duration (3 and 20 min) and temperature (room temperature, -80 and -130 °C). It has been shown that increasing the treatment energy by raising the vibration amplitude and/or the duration leads to an increase of the surface and subsurface hardnesses as well as the affected layer thickness. The use of cryogenic temperatures allows an additional increase of the hardness, especially in subsurface. By comparing the different hardness gradients with the martensite distributions along the hardened layers, a direct correlation with the hardening rate and the martensite fraction was observed. The initial stability of the treated material was also taken in account by carried out additional observations on the 316L having a higher stability. The results have indicated that the deformation temperature needs to be wisely chosen regarding the stability of the processed material in order to avoid a decrease of the subsurface hardness. Finally, the deformed microstructures generated under cryogenic ultrasonic shot peening were associated to the mechanical behaviors of cylindrical specimens using rotating bending fatigue tests. Compared to a room temperature treatment, a cryogenic peening allows a decrease of the surface roughness and the generation of higher surface compressive residual stresses by the formation of martensite. However, compared to a room temperature treatment, the fatigue behavior was not increased after a cryogenic peening because of a more pronounced surface residual stress relaxation and a reduction of the affected layer. However, the potential increase of the fatigue life after a cryogenic surface deformation was depicted by the study of the rupture surfaces. It was observed that, if the involvement of the surface defects introduced by the high surface roughness can be lowered, a single subsurface crack initiation can be produced increasing considerably the fatigue behavior of the processed material