Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Lille 1 : 2001. / N° d'ordre (Lille) : 2946. Résumés en français et en anglais. Bibliogr. en fin de chapitres.

Depuis plusieurs années, la société MATIERE® développe un nouveau type de renforcement des structures en béton reposant sur l’utilisation d’aciers plats crantés en substitution des aciers ronds à haute adhérence habituellement utilisés. Ce travail entre dans le cadre du programme de Recherche - Développement des techniques couvertes par les brevets de M. Marcel MATIERE. L’intérêt de ces nouveaux aciers plats crantés réside principalement dans leur géométrie qui permet d’envisager de nouvelles dispositions constructives associées à un gain sur l’épaisseur de béton, notamment au niveau de l’enrobage. Ces aciers sont principalement destinés aux éléments de type dalle ou aux voiles minces où ils permettront de réaliser les économies de béton les plus significatives. Cependant, aucune norme ou règlement ne prend en compte, à ce jour, ces nouveaux aciers. Une étude scientifique validée, principalement basée sur la modélisation numérique, s’est avérée nécessaire pour d’une part modéliser et comprendre l’interaction entre l’acier plat et le béton et, d’autre part, pour justifier que les méthodes de calcul traditionnelles restent applicables à ce genre de renforcement. Dans le cadre de la problématique de la fissuration des structures en béton armé, une stratégie de modélisation reposant sur une approche probabiliste multi-échelles a été développée. Cette approche multi-échelles ne consiste pas à développer une modélisation qui inclut, dans son formalisme, toutes les échelles, depuis l’échelle très locale jusqu’à l’échelle globale (une structure complète), mais à développer une panoplie de modélisations qui apportent des informations pertinentes à l’échelle d’analyse choisie. Quelle que soit l’échelle considérée, la modélisation est susceptible de donner des informations sur l’ouverture et l’espacement de fissures. L’aspect probabiliste est essentiellement lié à l’hétérogénéité du matériau béton. Les modèles développés permettent aussi de tenir compte des effets d’échelle, propres aux matériaux hétérogènes, qui jouent un rôle prépondérant dans le comportement des structures en béton. Le travail de recherche a donc consisté à développer des outils de modélisation du comportement d’interface en parfaite cohérence avec l’échelle de modélisation des phénomènes envisagés, notamment au regard des processus de fissuration des structure renforcées par aciers plats. La démarche scientifique s’est appuyée sur une identification des paramètres de la modélisation par une analyse inverse effectuée sur la base de résultats d’essais expérimentaux réalisés sur de grands tirants en béton armé par aciers plats. Les outils de modélisation ont ensuite été validés sur des modélisations du comportement en flexion de poutres-dalles de grandes dimensions comparées à des résultats d’essais expérimentaux. L’ensemble des essais expérimentaux, nécessaires à cette étude, ont été réalisés par Polytech’ Clermont à la demande de l’entreprise MATIERE®.

Th. doct.--Métall.--Paris Sud, 1991. / Résumé en anglais. Bibliogr. p. 111-114.

Inaugural-Dissertation--Rechts-, wirtschafts- und sozialwissenschaftliche Fakultat--Freiburg, 1971. / Bibliogr. pp. 181-191.

Les aciers fabriqués en métallurgie des poudres (MP) conventionnelle sont caractérisés par une proportion importante de porosités inhérentes au procédé de fabrication. Ces porosités constituent des défauts dans la microstructure et ont pour effet de limiter les propriétés mécaniques atteignables dans les aciers MP, en comparaison avec les matériaux corroyés. L'option la plus directe pour réduire l'incidence négative des porosités est de tout simplement réduire leur proportion, soit en augmentant la densité à crue ou en favorisant la densification lors du frittage. Concernant cette dernière approche, un système métallurgique en MP peut être conçu pour permettre la formation d'une phase liquide lors de l'étape de frittage. La phase liquide a pour effet d'activer des mécanismes de densification et de transport de matière supplémentaire dont la cinétique est plus rapide que les mécanismes se produisant à l'état solide. Dans les aciers MP, l'ajout d'une certaine proportion de bore permet de créer une phase liquide menant à une densification améliorée. Bien que le bore permette, à terme, d'atteindre des densités frittées supérieures à ce qu'il est possible d'obtenir lors du frittage à l'état solide, la solidification d'une phase liquide issue d'une réaction eutectique mène obligatoirement à la formation d'une structure eutectique contenant au moins un composé riche en bore. La présence de cette structure eutectique, reconnue pour conférer un comportement fragile aux aciers MP contenant du bore, constitue un élément limitant les possibilités et l'adoptabilité de ces matériaux. Cette situation ambivalente est problématique puisque la relation entre les propriétés mécaniques, la phase liquide solidifiée et la composition chimique n'est pas bien documentée. Cette thèse s'attaque à la question du frittage en phase liquide des aciers MP contenant du bore sous plusieurs aspects. L'utilisation d'un alliage-mère spécialement conçu pour promouvoir la formation d'une phase liquide est d'abord explorée. Il s'avère possible de produire des aciers MP au bore n'étant pas sujet aux impacts néfastes de la phase liquide solidifiée en contrôlant la teneur de plusieurs éléments chimiques autres que le bore, tels le carbone et le molybdène. Les travaux sont ensuite axés sur l'effet de la teneur en molybdène pré-allié sur l'initiation et sur les mécanismes du frittage en phase liquide, ainsi que sur la relation entre la microstructure formée lors de la solidification de la phase liquide et les propriétés mécaniques. Une analyse détaillée des microstructures en microscopie optique et électronique, ainsi que de la nature des phases composant la structure eutectique, a permis de révéler l'importance de promouvoir la formation de borures et non de borocarbures, en limitant la teneur en Mo pré-alliée. De plus, cette thèse explore une alternative à l'alliage-mère initialement étudié, soit le pré-alliage du bore. L'optimisation de la composition chimique d'aciers fabriqués à partir d'une poudre de fer pré-allié avec du bore a révélé que chaque élément d'alliage utilisé, et non seulement le molybdène, présentent une teneur seuil à ne pas dépasser pour ne pas impacter négativement les propriétés mécaniques. Finalement, ces travaux apportent de nouvelles connaissances sur les aciers MP au bore et sur leur frittage en phase liquide, et permettent d'établir des plages de teneur en éléments d'alliage permettant de profiter des effets bénéfiques de la présence d'une phase liquide sur la densification. / Steels produced by conventional powder metallurgy (PM) are characterized by a high proportion of porosities, inherent to the manufacturing process comprised of uniaxial compaction of metal powders and sintering. These porosities constitute defects in the microstructure and are limiting factors for the mechanical properties of PM steels, in comparison with wrought materials. The most direct option to reduce the negative impact of porosities is to simply reduce their proportion, either by increasing green density or by promoting densification during sintering. Regarding the latter approach, a metallurgical system in PM can be designed to promote the formation of a liquid phase during the sintering step, thus activating mechanisms of densification and mass transport having faster kinetics than mechanisms occurring in solid state. In PM steels, adding a certain proportion of boron can promote the formation of a liquid phase leading to improved densification. Although boron ultimately makes it possible to achieve sintered densities greater than what is possible in solid state sintering alone, the solidification of a liquid phase resulting from a eutectic reaction obviously leads to the formation of a eutectic structure containing at least one boron-rich compound. The presence of this eutectic structure, known to be the source of the brittle behavior associated with PM steels containing boron, constitutes an element limiting the possibilities and the adoptability of these materials. This ambivalent situation is problematic since the relationship between the mechanical properties, the solidified liquid phase and the chemical composition is not well documented. This thesis tackles the question of liquid phase sintering of MP steels containing boron from several angles. The use of a specially designed master-alloy to promote the formation of a liquid phase is first explored. It was found that it is possible to produce boron PM steels that are not subject to the adverse impacts of the solidified liquid phase by controlling the content of several chemical elements other than boron, such as carbon and molybdenum. This work then focused on the effect of pre-alloyed molybdenum content on the initiation and on the mechanisms active during liquid phase sintering. Moreover, the relationship between the microstructure formed during the solidification of the liquid phase and the properties mechanical were also studied. A detailed analysis of the microstructures by optical and electron microscopy, as well as the nature of the phases composing the eutectic structure, revealed the importance of promoting the formation of borides and not of borocarbides by limiting the content of pre-alloyed Mo. In addition, this thesis explores an alternative to the master-alloy initially studied, namely the use of an iron powder pre-alloyed with boron. Optimization of the chemical composition of steels made from an iron powder pre-alloyed with boron revealed that each alloying element used, and not just molybdenum, has a threshold content that should not be exceeded to avoid a negative impact on the mechanical properties. Finally, this work provides new knowledge on PM steels containing boron and their sintering in the presence of a liquid phase and safe concentration zones in alloying elements can be established to take advantage of the beneficial effects of the presence of a liquid phase on densification while avoiding fragilization.

La demande croissante de pièces fabriquées par l'impression par liants (IL) requiert le développement de nouvelles poudres métalliques qui sont spécifiquement adaptées pour ce procédé de fabrication additive. Le frittage de pièces fabriquées par IL est habituellement effectué à haute température pendant de périodes prolongées pour maximiser la densification. Ce projet de recherche se concentre sur l'optimisation de la composition chimique de l'AISI 4340, un acier qui peut facilement durcir, et de l'AISI D2, un acier à outil utilisé pour sa bonne résistance à l'usure, pour la création de grades d'acier spécifiques pour l'IL qui peuvent être frittés à des températures faibles dans des fours conventionnels, et ce sans limiter la densification. Des ajouts faibles de bore permettent la formation d'une phase liquide riche en bore, dans les aciers, à une température approximative de 1200 °C, ce qui permet d'augmenter significativement la cinétique de densification à travers le frittage en phase liquide permanente. L'effet de l'ajout de bore sur la densification et des propriétés de traction a été étudié pour ces deux aciers. Les résultats ont démontré qu'un ajout faible en bore peut effectivement augmenter la densification de l'AISI 4340 et de l'AISI D2 de manière marquante, et ce à des températures pas plus élevées que 1200 °C. Par la suite, les deux poudres ont été imprimées par impression par liants et les résultats entre les pièces fabriquées et les pièces imprimées ont été comparés. Une densification plus élevée a été obtenue pour les pièces imprimées, aux dépens des propriétés mécaniques et cet effet est probablement lié au temps de frittage. / The growing demand for parts manufactured by binder jetting (IL) requires the development of new metal powders that are specifically tailored for this additive manufacturing (AM) process. Furthermore, the sintering of IL parts is usually performed at high temperatures and for extended periods of time to maximize densification. This work focuses on the optimization of the chemical composition of AISI 4340, a highly hardenable steel, and of AISI D2, a tool steel used for wear resistance, to create specific steel grades for IL that can be sintered at lower temperatures in conventional belt furnaces without limiting densification. Small additions of boron lead to the formation of a boron-rich liquid phase in steels at approximately 1 200 °C, which significantly increases densification kinetics through permanent liquid phase sintering. The effect of boron content on densification and tensile properties was studied for both steel grades. The results showed that small additions of boron can indeed substantially improve densification of AISI 4340 and D2 at temperatures no higher than 1 200°C. Both powders were then printed by binder jetting and results between fabricated parts and printed parts were compared, where higher densification was obtained for printed parts, at the expense of lower mechanical properties probably linked to longer sintering times.

Les aciers fabriqués en métallurgie des poudres (MP) conventionnelle sont caractérisés par une proportion importante de porosités inhérentes au procédé de fabrication. Ces porosités constituent des défauts dans la microstructure et ont pour effet de limiter les propriétés mécaniques atteignables dans les aciers MP, en comparaison avec les matériaux corroyés. L'option la plus directe pour réduire l'incidence négative des porosités est de tout simplement réduire leur proportion, soit en augmentant la densité à crue ou en favorisant la densification lors du frittage. Concernant cette dernière approche, un système métallurgique en MP peut être conçu pour permettre la formation d'une phase liquide lors de l'étape de frittage. La phase liquide a pour effet d'activer des mécanismes de densification et de transport de matière supplémentaire dont la cinétique est plus rapide que les mécanismes se produisant à l'état solide. Dans les aciers MP, l'ajout d'une certaine proportion de bore permet de créer une phase liquide menant à une densification améliorée. Bien que le bore permette, à terme, d'atteindre des densités frittées supérieures à ce qu'il est possible d'obtenir lors du frittage à l'état solide, la solidification d'une phase liquide issue d'une réaction eutectique mène obligatoirement à la formation d'une structure eutectique contenant au moins un composé riche en bore. La présence de cette structure eutectique, reconnue pour conférer un comportement fragile aux aciers MP contenant du bore, constitue un élément limitant les possibilités et l'adoptabilité de ces matériaux. Cette situation ambivalente est problématique puisque la relation entre les propriétés mécaniques, la phase liquide solidifiée et la composition chimique n'est pas bien documentée. Cette thèse s'attaque à la question du frittage en phase liquide des aciers MP contenant du bore sous plusieurs aspects. L'utilisation d'un alliage-mère spécialement conçu pour promouvoir la formation d'une phase liquide est d'abord explorée. Il s'avère possible de produire des aciers MP au bore n'étant pas sujet aux impacts néfastes de la phase liquide solidifiée en contrôlant la teneur de plusieurs éléments chimiques autres que le bore, tels le carbone et le molybdène. Les travaux sont ensuite axés sur l'effet de la teneur en molybdène pré-allié sur l'initiation et sur les mécanismes du frittage en phase liquide, ainsi que sur la relation entre la microstructure formée lors de la solidification de la phase liquide et les propriétés mécaniques. Une analyse détaillée des microstructures en microscopie optique et électronique, ainsi que de la nature des phases composant la structure eutectique, a permis de révéler l'importance de promouvoir la formation de borures et non de borocarbures, en limitant la teneur en Mo pré-alliée. De plus, cette thèse explore une alternative à l'alliage-mère initialement étudié, soit le pré-alliage du bore. L'optimisation de la composition chimique d'aciers fabriqués à partir d'une poudre de fer pré-allié avec du bore a révélé que chaque élément d'alliage utilisé, et non seulement le molybdène, présentent une teneur seuil à ne pas dépasser pour ne pas impacter négativement les propriétés mécaniques. Finalement, ces travaux apportent de nouvelles connaissances sur les aciers MP au bore et sur leur frittage en phase liquide, et permettent d'établir des plages de teneur en éléments d'alliage permettant de profiter des effets bénéfiques de la présence d'une phase liquide sur la densification. / Steels produced by conventional powder metallurgy (PM) are characterized by a high proportion of porosities, inherent to the manufacturing process comprised of uniaxial compaction of metal powders and sintering. These porosities constitute defects in the microstructure and are limiting factors for the mechanical properties of PM steels, in comparison with wrought materials. The most direct option to reduce the negative impact of porosities is to simply reduce their proportion, either by increasing green density or by promoting densification during sintering. Regarding the latter approach, a metallurgical system in PM can be designed to promote the formation of a liquid phase during the sintering step, thus activating mechanisms of densification and mass transport having faster kinetics than mechanisms occurring in solid state. In PM steels, adding a certain proportion of boron can promote the formation of a liquid phase leading to improved densification. Although boron ultimately makes it possible to achieve sintered densities greater than what is possible in solid state sintering alone, the solidification of a liquid phase resulting from a eutectic reaction obviously leads to the formation of a eutectic structure containing at least one boron-rich compound. The presence of this eutectic structure, known to be the source of the brittle behavior associated with PM steels containing boron, constitutes an element limiting the possibilities and the adoptability of these materials. This ambivalent situation is problematic since the relationship between the mechanical properties, the solidified liquid phase and the chemical composition is not well documented. This thesis tackles the question of liquid phase sintering of MP steels containing boron from several angles. The use of a specially designed master-alloy to promote the formation of a liquid phase is first explored. It was found that it is possible to produce boron PM steels that are not subject to the adverse impacts of the solidified liquid phase by controlling the content of several chemical elements other than boron, such as carbon and molybdenum. This work then focused on the effect of pre-alloyed molybdenum content on the initiation and on the mechanisms active during liquid phase sintering. Moreover, the relationship between the microstructure formed during the solidification of the liquid phase and the properties mechanical were also studied. A detailed analysis of the microstructures by optical and electron microscopy, as well as the nature of the phases composing the eutectic structure, revealed the importance of promoting the formation of borides and not of borocarbides by limiting the content of pre-alloyed Mo. In addition, this thesis explores an alternative to the master-alloy initially studied, namely the use of an iron powder pre-alloyed with boron. Optimization of the chemical composition of steels made from an iron powder pre-alloyed with boron revealed that each alloying element used, and not just molybdenum, has a threshold content that should not be exceeded to avoid a negative impact on the mechanical properties. Finally, this work provides new knowledge on PM steels containing boron and their sintering in the presence of a liquid phase and safe concentration zones in alloying elements can be established to take advantage of the beneficial effects of the presence of a liquid phase on densification while avoiding fragilization.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2009. / Titre de l'écran-titre (visionné le 24 juillet 2009). Bibliogr.

La compagnie Les Forges de Sorel est un acteur important dans le domaine de la production de pièces d'acier forgées de forte dimension destinées au secteur du moulage par injection de matière plastique. Le potentiel de trempe des aciers actuellement utilisés n'étant plus assez grand pour combler les exigences grandissantes de l'industrie du moulage, le développement de nouveaux alliages avec une trempabilité améliorée s'est imposé. Pour le présent projet, un ajout de vanadium jusqu'à 0,35% poids à l'acier SF2050 a permis d'améliorer la trempabilité de façon à pouvoir augmenter section carrée d'une pièce forgée jusqu'à 88% et ainsi atteindre une section de 2,35m2 (3643p02). De plus, l'ajout de vanadium à permis d'améliorer la résistance à l'impact de l'acier, d'augmenter la limite élastique de 25% jusqu'à 1000MPa et d'accroître la dureté lors du revenu de 24%. Par ailleurs, une étude préliminaire sur l'effet d'une addition de 38ppm de bore sur la trempabilité de l'acier SF2050 à permis d'augmenter la section carré d'une pièce forgée de 400%. La section carrée d'une pièce forgée peut ainsi atteindre 6,27m2 (9714po2). Finalement, l'ajout de 0,15% poids de vanadium à la nuance SF2000 permet de remplacer l'effet de 0,5% poids de nickel et ainsi d'atteindre le niveau de trempabilité de l'acier SF2050.

Cette recherche est principalement planifiée pour améliorer les propriétés en fatigue des aciers MP afin qu'ils remplacent largement leurs contreparties corroyées, principalement en raison de leurs avantages en lien avec leur coût de production. L’atteinte de cet objectif est fait en déterminant la microstructure la plus efficace des aciers MP au cours de chargements cycliques. La microstructure la plus efficace est celle qui permet de réduire ou d'arrêter la propagation de fissures de fatigue par la combinaison appropriée de ses phases constitutives. Il existe quelques travaux sur ce sujet, cependant, ils n'ont pas atteint de conclusions cohérentes en raison du manque de données suffisantes et / ou une comparaison inappropriée. Par conséquent, l'effet de différentes phases constitutives d'une microstructure hétérogène d'un acier MP est encore ambigu et inconnu. Afin d'élucider cette question, il convient d'étudier différentes phases microstructurales et le comportement de propagation des fissures de fatigue dans celles-ci. Notre étude commence par choisir deux aciers MP communs fabriqués à l'aide de deux techniques d'alliage soient : pré-mélangeage et pré-alliage, afin de produire respectivement des microstructures hétérogènes et homogènes. Deux types de traitements thermiques ont également été utilisés pour fournir différentes phases microstructurales qui sont nécessaires aux fins de cette étude. Les échantillons ont ensuite été testés en utilisant la charge cyclique et quatre ratios de contraintes pour étudier l'effet des conditions de fatigue. Une analyse quantitative des surfaces de rupture, qui comprend l'étude détaillée du cheminement des fissures en OM et en SEM a ensuite été effectuée sur les échantillons fracturés. Les données de vitesse de propagation de fissures de fatigue dans différents aciers MP ayant des microstructures différentes avec les données quantitatives acquises quant à leur parcours préférentiel nous ont amené à des résultats intéressants sur l'effet des constituants de microstructure sur le comportement de propagation de fissure de fatigue. Il s'est avéré que la fissure de fatigue se propage plus rapidement à travers la phase la moins résistante parmi celles présentes dans la microstructure. Ainsi, la perlite n'était pas favorable à la propagation des fissures en compagnie de ferrite riche en Ni, alors qu’en présence de martensite, on a trouvé que les grains perlitiques étaient le chemin de fissure préféré. De plus, l'austénite résiduelle, qui a été identifiée dans la littérature comme étant une phase bénéfique pour le retard de fissure de fatigue, s'est révélée inefficace. Bien que les fissures de fatigue contournent ces régions, la déformation causée par ce changement de chemin de fissure n'a pas montré d'effet positif sur le retard de fissure de fatigue. / This research is mostly planned to enhance the fatigue properties of PM steels inasmuch as they are extensively replacing their equivalent wrought steels due mostly to production cost benefits. This goal is going to be achieved through determining the most effective microstructure of PM steels in cyclic loadings. The most effective microstructure is the one that can reduce or stop the fatigue crack propagation through the proper combination of its constituent phases. There exists some researches on this topic, however, they did not reach consistent conclusions due to the lack of sufficient data and/or improper comparison. Therefore, the effect of different constituent phases of a heterogeneous microstructure of a PM steel is still ambiguous and unknown. In order to study this issue, diverse microstructures and the fatigue crack propagation behaviour through them should be studied. Our research begins by choosing two common PM steels manufactured using two alloying techniques of admixed and pre-alloyed to produce heterogeneous and homogeneous microstructures respectively. Two types of heat-treatments namely sinter-hardening and oil-quenching were also utilized to provide more microstructural phases that is needed for the purpose of this study. The samples were then tested in cycling loading using different R-ratio in order to study the effect of fatigue conditions as well. Quantitative analysis of the fracture surfaces, which includes the detailed study of the crack path in OM and SEM, were then performed on the fractured samples. The fatigue crack growth rate data in different PM steels having different microstructures along with the quantitative data acquired from their crack path led us to interesting results on the effect of microstructural constituents on fatigue crack propagation behaviour. It was found that the fatigue crack will propagate more rapidly through the weakest i.e. lowest strength phase among the ones present in the microstructure. Thus, pearlite was not favourable for crack propagation in the company of Ni-rich ferrite while in the presence of martensite, pearlitic grains were found to be the preferred crack path. Moreover, the retained austenite, which was identified in literature to be a beneficial phase for fatigue crack retardation, was found to be ineffective on the matter. Although fatigue cracks circumvented these regions, the deflection caused by this change of crack path did not show any positive effect on fatigue crack retardation.