Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2002. / Titre de l'écran-titre (visionné le 30 août 2006). Publié aussi en version papier.

L'usinabilité de pièces fabriquées par métallurgie des poudres est diminuée par la présence de porosités. L'usinabilité peut être améliorée en apportant des modifications à la microstructure des pièces. En effet, l'addition de sulfures de manganèse pré-alliés (MnS) peut entraîner une amélioration dans l'usinabilité des pièces. D'un autre côté, la présence de particules de seconde phase a tendance à diminuer les propriétés mécaniques des pièces telles que la résistance en fatigue. Ce mémoire présente les résultats en fatigue de pièces fabriquées avec des aciers contenant différentes quantités de MnS pré-alliés et prémélangés dans le but de quantifier l'effet de ces particules sur le comportement en usinage et sur le comportement en fatigue. Le but de cette étude est de trouver un compromis entre ces deux propriétés physiques. Les résultats démontrent que le meilleur compromis est atteint avec des poudres contenant 0.65%-pds de MnS pré-alliés. / The presence of porosities decreases the machinability of powder metallurgy steel parts; however, the machinability could be improved by modifying the microstructure. This can be achieved by the addition of pre-alloyed manganese sulphide (MnS) powders. But the presence of the second phase particles, namely MnS inclusions, tends to decrease the mechanical properties, particularly, fatigue. Thus, in practice, a balance has to be struck between machinability and fatigue resistance. In this context, parts have been fabricated from different base powders containing varying amounts of machinability enhancers and, the effects of varying the second phase particles, on their fatigue resistance and machinability have been evaluated. Microstructures and fracture morphologies have been characterized. Results demonstrate that the powder pre-alloyed with 0.65 wt-% MnS provides the best compromise.

L'objectif principal de ce mémoire visait à caractériser et à comparer la résistance en fatigue de deux séries de pièces d'acier fabriquées par métallurgie des poudres. La première série de pièces à été mise en forme en effectuant une opération d'usinage à cru suivi d'un frittage. La deuxième a été obtenue en effectuant l'opération d'usinage après frittage comme c'est généralement le cas en industrie. Des tests de fatigue axial ont été effectués pour chacune des séries d'éprouvettes et ont démontré qu' il n'y avait pas de différence de résistance en fatigue que l'usinage soit effectué à cru ou après frittage. Cette étude démontre pour la première fois que l'usinage à cru peut être utilisé pour la fabrication de pièces de hautes performances sans qu'il y ait de compromis sur la résistance en fatigue.

Le forgeage de préformes fabriquées par métallurgie des poudres nous permet d’atteindre une densification voisine de la densité théorique ce qui a comme incidence directe une amélioration substantielle des propriétés mécaniques finales des pièces, notamment la résistance en fatigue. La démarche préconisée pour améliorer cette performance critique de pièces forgées par métallurgie des poudres consiste à optimiser leurs caractéristiques métallurgiques et leur densité concomitante. À ce propos, une nouvelle formulation d’acier MP a été développée et caractérisée. La stratégie de développement portait sur l’utilisation d’éléments de microalliage préalliés, comme le vanadium et le niobium. Pour ce faire, on a optimisé le paramètre de mise en œuvre primordial, qui est la température de forgeage, afin d’obtenir une fine taille de grains à la fin du cycle du traitement réalisé accompagnée d’une densité élevée des pièces forgées. Une série de traitements d’austénisation sur une gamme étendue de température variant entre 900 °C à 1250 °C a été effectuée ce qui nous a permis par la suite de connaître, pour chaque mélange, l’évolution de la taille des grains en fonction de la température d’austénisation. La nouvelle formulation de composition chimique a démontré un impact marqué quant au contrôle de la taille de grains en fonction de la température d’austénitisation. Une étude comparative nous a permis d’identifier la température de forgeage la plus appropriée pour ce type de pièces et de dégager la méthodologie à suivre en fonction des propriétés mécaniques et microstructurales. / Powder forging allows us to achieve a very high densification neighbouring that of full density causing a substantial improvement in final mechanical properties of the parts, particularly the fatigue strength. The approach advocated to improve this critical performance of powder forging parts is to optimize metallurgical characteristics and density simultaneously. In this regard, a novel PM steel powder was developed and characterized. The strategy relied on the utilization of prealloyed microalloying elements such as vanadium and niobium. To do this, we have optimized the primordial parameter of this operation, which is the forging temperature, to obtain a fine grain size at the end of the processing cycle carried out accompanied by a higher density of forged parts. A series of heat treatment over a range of temperature between 900 °C to 1250 °C was performed which allowed us later measure the evolution of grain size between this new alloy and a reference PM steel as a function of the austenitizing temperature. The difference in chemical composition between the two alloys had a fairly significant impact on their final grain size. The comparative study of these two materials allowed us to identify the most appropriate forging temperature for this type of pieces, to determine the most efficient alloy and therefore to identify the methodology to follow according to the mechanical properties and microstructure.

Au cours des dernières décennies, l'utilisation de l'aluminium n'a cessé d'augmenter dans différents secteurs industriels. Par ailleurs, dans le domaine de la Conception Assistée par Ordinateur (C.A.O.), les opportunités de développement d'outils de design de l'aluminium sont encore nombreuses. Le présent mémoire propose une méthodologie générale permettant la conversion de pièces structurelles de l'acier vers l'aluminium. Une démarche définie par cinq étapes principales est élaborée à l'aide de différents algorithmes : (1) Analyse mécanique d'une pièce structurelle en acier ; (2) Définition des critères de conception ; (3) Paramétrage de la pièce ; (4) Analyses itératives de pièces d'aluminium ; (5) Élaboration des alternatives retenues et rejetées du design en aluminium. Parallèlement au développement de la méthodologie, les possibilités d'implémentation sont étudiées. Certains concepts d'automatisation sont proposés à l'aide du logiciel CATIA. Un exemple général est proposé, à la fin du mémoire, afin d'illustrer les différentes étapes de la méthodologie.

Aujourd'hui, les pylônes à treillis en acier sont les structures les plus utilisées dans les réseaux de transport de l'énergie électrique en Amérique du Nord. Ces structures présentent un intérêt au niveau de leur coût et de leur facilité de l'assemblage lors de la construction. Néanmoins, l'acier demeure un matériau corrodable. Dès leur mise en service, les lignes de transport d'énergie vieillissent et se corrodent. Certaines des structures existantes ont été construites il y a plus de 70 ans et la plupart de ces structures servent toujours, malgré leur vie utile estimée a 50 ans. Afin d'établir un programme de réparation et de maintenance efficient pour ces structures âgées, il est essentiel, dans un premier temps, d'évaluer leur état. L'évaluation de leur état est une tâche très fastidieuse à cause du manque d'information précise et de la nature complexe de la détérioration possible. De plus, certains éléments structuraux sont enfouis. Il est donc à propos de se questionner sur le comportement des fondations des pylônes à treillis dans le futur. Il faut tout d'abord identifier le problème et prouver que certaines fondations des pylônes en service peuvent être affectées par la corrosion. Il est pertinent de déterminer comment repérer les pylônes qui sont plus sujet au développement de la corrosion au niveau de leur fondation. Il faut ensuite évaluer à quel point la corrosion affecte la capacité structurale de la fondation selon son niveau de développement, donc de déterminer la capacité résiduelle d'une cornière corrodée. C'est dans cette optique que la Chaire de recherche CRSNG/HQTÉ a proposé un projet de maîtrise visant à approfondir les connaissances sur l'état des membrures de pylônes enfouies des pylônes à treillis en acier et d'évaluer leur intégrité structurale. Le présent projet de maîtrise tente d'éclaircir ces points d'investigation par ses objectifs qui sont de déterminer les paramètres influençant la corrosion des fondations de pylônes existants et d'être en mesure d'évaluer les possibilités de corrosion dans le futur et de déterminer la capacité résiduelle des cornières corrodées en compression.

Les chambres souterraines préfabriquées en béton armé avec des barres d’acier sont fréquemment utilisées dans la construction et les industries électriques pour les câbles d’alimentation, pour les logements et les transformateurs. Au Québec, plus de 30 000 de ces chambres ont été installés par Hydro-Québec au cours des 30 dernières années. Cependant, comme d'autres structures en béton armé traditionnel, la corrosion de l'armature d'acier constitue la principale cause de détérioration des chambres souterraines, conduisant à des réparations coûteuses et des réhabilitations ainsi que d'une réduction significative de la durée de vie. Ce problème pourrait donc être enrayé avec l’utilisation d’armatures en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV). Ce document présente un résumé des normes canadiennes en vigueur qui régissent l’utilisation des matériaux composites essentiellement. En plus, les données expérimentales pertinentes sur le comportement et la résistance d'un total de 9 chambres souterraines à grande échelle de béton totalement renforcé de polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) et de barres d'acier sont présentées. Les chambres mesurent 2 300 mm de largeur par 3 800 mm de longueur et les murs sont d'une hauteur de 2 800 mm. Différents scénarios de charge sont testés pour représenter toutes les sortes de sollicitation au cours de sa vie au service (fatigue, compression et tirage direct). Les résultats expérimentaux ont été indiqué en termes de charge de ruptures, de réseaux, de fissures et en déformation. L’essai de fatigue présente des résultats négligeables par rapport aux déformations (béton et armature), aux déplacements ainsi qu’aux réseaux de fissurations. L’essai de tirage direct se termine par la rupture par poinçonnement suite aux essais en fatigue et les chambres n’ont révélé aucune rétention de résistance dans les données recueillies. Les essais statiques, qui sont également à la suite des essais en fatigue, ont le même comportement que les essais statiques simples, réalisés par l’étudiant M. Alexandre d’Amours. Finalement, la charge combinée (application d’une charge de 180kN statique avec un essai de tirage direct) reflète les conditions d’installation et le comportement en charge est légèrement différent, mais non significatif. Également, les résistances finales sont concordantes avec les essais de tirage direct seulement. En somme, les chambres souterraines en acier et en PRFV respectent toutes les exigences minimales du devis de performance par rapport à tous les tests effectués. À la suite de la conclusion de l'analyse, les chambres en PRFV ont démontré une «équivalence» par rapport aux chambres souterraines en acier.

La sensibilité à l’hydrogène d’un acier de type S690QL a été étudiée par une approche locale de la rupture. Des essais de fatigue ont été réalisés à l’air et en milieu salin sous protection cathodique sur des éprouvettes micro-entaillées. La fissure a été contrôlée en cours d’essai par une méthode de suivi électrique. La réponse mécanique du matériau en avant de l’entaille a été simulée par calculs par éléments finis.Les mécanismes de fatigue ont été étudiés par une méthode permettant d’isoler une contrainte interne et deux composantes de la contrainte effective, activée et non-activée thermiquement. L’effet de l’hydrogène sur ces contraintes a également été étudié.Pour comprendre le phénomène de piégeage de l’hydrogène dans la microstructure de cet acier, des tests de perméation électrochimique et de désorption thermique ont été réalisés. Les paramètres expérimentaux ainsi déterminés sont utilisés dans un modèle phénoménologique de la diffusion. Il a été développé pour simuler la répartition locale de l’hydrogène sur des géométries complexes.Les résultats montrent une forte dépendance de l’amorçage de la fissure avec l’accumulation de déformation plastique. Pour les essais de fatigue réalisés sur les éprouvettes entaillées, il ressort que le piégeage dans le champ élastique des dislocations est le phénomène prépondérant dans le mécanisme de fragilisation. Dans le cas d’éprouvettes lisses sollicitées en fatigue oligocyclique, le piégeage dans les murs de cellules de dislocations est majoritaire et l’amorçage de la fissure est certainement localisé sur ces défauts. L’hydrogène affecte également les deux composantes, thermique et athermique, de la contrainte effective. / The sensitivity to hydrogen embrittlement of S690QL steels is studied by local approach to fracture. Fatigue tests in air and in saline solution under cathodic protection are performed on micro-notched specimens. Crack is monitored by direct current potential drop method. The mechanical response of the material at the notch-tip is simulated by finite elements calculations.Fatigue mechanisms are investigated by a decomposition method of the flow stress to extract internal stress and the thermal and athermal components of the effective stress. Hydrogen effects on these stresses are also studied.Hydrogen trapping in the microstructure is investigated using electrochemical permeation tests and thermal desorption spectrometry. A phenomenological model is developed thanks to experimental results. This model is able to simulate the local hydrogen concentration in samples with complex geometry.Our results show that crack initiation is highly dependent on the plastic strain accumulation. For fatigue tests on micro-notched specimens, hydrogen trapping in dislocations elastic field is the predominant phenomena in the embrittlement mechanism. For smooth specimens under low cycle fatigue testing, hydrogen trapping in dislocations cells walls is significant and crack initiation is probably localized in this microstructural defect. Both components of the effective stress are also influenced by hydrogen.

L’objectif de ce travail consiste à améliorer les propriétés mécaniques d’un acier faiblement allié à bas carbone (0,2%) sans recours à des procédés de métallurgie secondaire onéreux. Pour cela, un processus d’inoculation, déjà utilisé lors de l’élaboration des fontes, est transposé à notre nuance d’acier. Il consiste à ajouter des éléments en très faible quantité dans l’acier liquide pour en modifier le processus de solidification donc la microstructure et par conséquent les propriétés de l’acier, dont la résilience. L’ajout d’éléments en très faible quantité ne modifie pas la nuance d’acier. Ils doivent être ajoutés en fin de fusion du métal sous forme de poudre dans le jet de coulée. Les effets de ces éléments se verront sur la microstructure notamment au niveau des inclusions et de la taille des grains. Le « bon candidat » est un élément qui conduira à une répartition homogène d’inclusions de petites tailles et de forme sphérique. Il doit aussi permettre de réduire la taille des grains. Ces modifications de structure sont supposées améliorer les propriétés mécaniques de l’acier et notamment la résistance aux chocs. Une pièce de référence est réalisée pour pouvoir en étudier la microstructure. La forme retenue est un lingot parallélépipédique dimensionné à l’aide d’un logiciel de simulation de coulée afin de prévenir des principaux défauts de fonderie. La taille est adaptée à l’échelle laboratoire (capacité four 120 kg). Les charges de fusion correspondant à la nuance étudiée sont fournies par l’entreprise partenaire de la thèse, SAFE Metal. La première étape est d’obtenir un bain convenablement désoxydé ; c’est-à-dire ajouter de l’aluminium afin de piéger l’oxygène dissous pour l’évacuer. Pour mettre en évidence d’éventuels effets significatifs des différents inoculants testés, il faut partir d’un échantillon de référence contenant un nombre d’inclusions relativement élevé. Ceci est obtenu en ajoutant du soufre dans le bain liquide. Cet élément agit directement sur le nombre d’inclusions présentes dans l’acier en formant des sulfures. Pour passer à l’étape d’inoculation il a fallu créer un outillage spécifique pouvant s’adapter à l’échelle du laboratoire. Des essais sont ensuite réalisés avec différents produits à des concentrations variables. Les échantillons obtenus sont analysés par différentes techniques : analyse chimique de l’acier (spectrométrie étincelle et ICP), analyse de microstructure et de la taille de grains (par micrographie optique) et le comptage inclusionnaire. En ce qui concerne ce dernier point qui consiste à détecter les inclusions, à les compter et à les classer par leur nature, leur forme et leur taille, deux possibilités existent. Soit à l’aide d’un microscope optique mais les risques d’erreur sont importants et le processus est long et fastidieux, soit à l’aide d’un logiciel spécifique (AZtec) couplé à un microscope électronique à balayage (MEB). C’est ce choix qui a été fait, car outre le fait qu’il permette un gain de temps considérable grâce à une automatisation du processus, il est possible de connaître via une sonde EDS, la composition chimique de chaque particule. Pour tous les produits testés, il a été montré que l’inoculation n’avait que peu d’effet sur la taille des inclusions et qu’elles deviennent plus complexes en contenant plusieurs éléments chimiques. Pour certains produits, on voit apparaître des amas d’inclusions. Ces amas sont susceptibles de favoriser la fragilité de l’acier en formant des amorces de fissuration. Pour d’autres, les inclusions diminuent nettement, ont une forme globulaire et la taille des grains est affinée. Ces effets ont tendance à améliorer les propriétés mécaniques de ces aciers. La teneur d’introduction de l’inoculant est aussi déterminée pour un maximum d’efficacité. L’inoculant le plus important pourra être utilisé pour une possible industrialisation. / The objective of this work is to improve the mechanical properties of a low-carbon steel (0.2%) without the use of expensive secondary metallurgy processes. For this, a method of inoculation, already used during the development of the cast iron, is transposed to our steel grade. It consists in adding very small quantities in liquid steel in order to modify the solidification process, thus the microstructure and consequently the properties of the steel, especially resilience. The addition of elements in very small quantities does not modify the grade of steel. They must be added at the end of melting of the metal in the form of powder in the casting stream. The effects of these elements will be seen on the microstructure, particularly in terms of inclusions and grain size. The "good candidate" is an element that will lead to a homogeneous distribution of inclusions of small size and spherical shape. It must also make it possible to reduce the size of the grains. These structural modifications are supposed to improve the mechanical properties of the steel and in particular the impact resistance. A reference piece is made to study the microstructure. The retained shape is a parallelepiped ingot sized using a casting simulation software to prevent major foundry defects. The size is adapted to the laboratory scale (furnace capacity 120 kg). The load corresponding to the grade studied are provided by the SAFE Metal, the partner company. The first step is to obtain a suitably deoxidized bath; that means adding aluminum in order to trap the dissolved oxygen and to evacuate it. To demonstrate any significant effects of the various inoculants tested, it is necessary to start from a reference sample containing a relatively high number of inclusions. This is achieved by adding sulfur to the liquid bath. This element acts directly on the number of inclusions present in the steel by forming sulphides. For the inoculation stage, it was necessary to create specific tools that could be adapted to the laboratory scale. Trials are then carried out with different products at varying concentrations. The samples obtained are analyzed by various techniques: chemical analysis of steel (spark spectrometry and ICP), microstructure and grain size analysis (optical micrograph) and inclusion counting. In order to detect inclusions, count and classify them by their nature, shape and size, two possibilities exist. Either using an optical microscope but the risks of error are significant and the process is long and tedious, either using a specific software (AZtec) coupled to a scanning electron microscope (SEM). It is this choice that was made, because besides the fact that it allows a considerable saving of time thanks to an automation of the process, it is possible to know via an EDS probe, the chemical composition of each particle. For all the products tested, it was shown that inoculation had little effect on the size of the inclusions and that they became more complex by containing several chemical elements. For some products, clusters of inclusions appear. These clusters are likely to promote the fragility of steel by forming cracking primers. For others, the inclusions decrease sharply, have a globular shape and the grain size is refined. These effects tend to improve the mechanical properties of these steels. The introductory content of the inoculant is also determined for maximum effectiveness. The most efficient inoculant can be used for a possible industrialization.

La fissuration à chaud par liquation peut se produire dans la zone affectée thermiquement lors du soudage. Deux facteurs influent ce phénomène : les contraintes thermiques dues au gradient de température et la perte potentielle de ductilité due à la présence d'un film liquide aux joints de grains en fonction de leur composition chimique. Des essais de ductilité à chaud (Gleeble) ont été utilisés pour étudier l'effet combiné de la teneur en bore et du temps de maintien sur la chute de la ductilité dans la plage de température de liquation pour l’acier inoxydable austénitique de type 316L. Il est démontré que les teneurs en bore élevées et les temps de maintien courts favorisent la perte de ductilité dans cette plage de température. En complément la spectrométrie de masse à ionisation secondaire a été utilisée pour tenter de corréler les variations de ductilité à la distribution du bore aux joints de grains. D'autres essais de fissuration à chaud en soudage (Varestraint, PVR) ont été effectués pour confirmer l'influence de la teneur en bore sur la sensibilité à la fissuration de l’acier 316L. Les résultats indiquent que des fissures apparaissent sur toutes les éprouvettes et que le chargement mécanique externe minimal pour créer les fissures de liquation diminue avec la teneur en bore. Plus la teneur en bore est élevée, plus le matériau est donc sensible à la fissuration à chaud par liquation. Un critère de fissuration à chaud par liquation a été déterminé en se basant sur les résultats des essais de ductilité à chaud et la simulation des essais de soudage. / Liquation cracking may occur in the heat-affected zone during welding. Two factors influence this phenomenon: the tensile stresses generated during welding and the potential loss of ductility due to the presence of a liquid film at grain boundaries depending on their chemical composition. Gleeble hot ductility tests have been used to study the combined effect of boron content and holding time on ductility drop in the liquation temperature range of a 316L type austenitic stainless steel. It is shown that high boron contents and short holding times promote the loss of ductility in this temperature range. Secondary ion mass spectrometry has been used inattempt to correlate mechanical results to boron distribution either at grain boundaries or in the bulk. Other hot cracking tests (Varestraint, PVR) have been performed to confirm the influence of boron content on hot cracking sensitivity of AISI 316L stainless steels during welding. Results indicate that cracks appear on all specimens and that the minimum external mechanical loading for liquation cracking decreases with boron content. The higher the boron content is, the more the specimen exhibits tendency to hot cracking. A liquation hot cracking criterion has been determined, based on the results of the hot ductility tests and the simulation of welding tests.