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.

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.

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.

Le comportement de l'acier est significativement différent à des températures élevées par rapport à la température ambiante. Avec l'augmentation de la température, la relation contrainte-déformation devient non linéaire et la résistance et la rigidité de l'acier diminuent. Les normes de conception au feu de l'acier existantes ne parviennent pas à prédire avec précision la résistance à des températures élevées en suivant les mêmes approches de conception à température ambiante avec de petites modifications. Cette recherche vise à proposer une approche de conception innovante des profilés creux en acier en situation d'incendie au moyen du Overall Interaction Concept (O.I.C.). Le Overall Interaction Concept (O.I.C.) est basé sur l'interaction résistance-instabilité en utilisant un rapport d'élancement généralisé et s'est avéré plus précis et cohérent que les normes actuelles. Un modèle d'éléments finis a été développé pour étudier le comportement des sections carrées et rectangulaires en acier à haute température. La précision du modèle a été confirmée par la validation avec des résultats expérimentaux. Le modèle validé a été utilisé pour effectuer des études paramétriques incluant différentes dimensions géométriques, températures et cas de charge. Les résultats des études paramétriques ont ensuite été utilisés pour identifier le paramètre de conception principal et proposer O.I.C. équations en situation d'incendie. Pour présenter un meilleur niveau de précision et de cohérence de l'O.I.C. propositions, leur performance a été comparée aux approches actuelles de conception anti-incendie, y compris les normes européennes, américaines et canadiennes. / The behavior of steel is significantly different at elevated temperatures compared to the ambient temperature. With increasing temperature, the stress-strain relationship gets nonlinear and the strength and stiffness of steel reduce. Existing steel fire design standards fail to accurately predict the resistance at high temperatures by following the same design approaches at room temperature with small modifications. This research is aimed to propose an innovative design approach for steel hollow sections in fire situations by means of the Overall Interaction Concept (O.I.C.). The Overall Interaction Concept (O.I.C.) is based on the resistance-instability interaction using a generalized slenderness ratio and has been proved to be more accurate and consistent than the current standards. A finite element (F.E.) model was developed to study the behavior of steel square and rectangular sections at high temperatures. The accuracy of the model was confirmed through validation with experimental results. The validated model was used to perform parametric studies including different geometrical dimensions, temperatures, and load cases. The results of the parametric studies were then used to identify the leading design parameter and propose O.I.C. equations in fire situations. To exhibit a better level of accuracy and consistency of the O.I.C. proposals, their performance was compared to the current fire design approaches including European, American, and Canadian Standards.