Les matériaux métalliques de structure tels que les aciers, les alliages base titane, les superalliages base nickel utilisés dans les domaines de l'aéronautique, de l'énergie ou encore de l'automobile doivent être capables de résister à des sollicitations mécaniques sévères notamment de type fatigue dans des environnements agressifs. L'endommagement du à la fatigue se localise généralement en surface des matériaux. Il est donc souvent impératif d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques de leur surface pour répondre au mieux aux exigences multiples qu'imposent les conditions de leur mise en service. Dans ce contexte, le PHYMAT a développé un ensemble de dispositifs d'élaboration originaux utilisant des ions de basse, moyenne ou haute énergie ainsi que des plasmas qui permettent de modifier les propriétés de surface des matériaux massifs ou d'élaborer des revêtements. En particulier, il a été mis au point des procédés de nitruration utilisant des ions de basse énergie : implantation-diffusion d'azote basse énergie-flux élevé et de nitruration plasma permettant d'introduire à température modérée (300-400°C) des atomes d'azote en solution solide de très fortes concentrations (20-25at%) sur des profondeurs particulièrement importantes (3-20μm). Les investigations dans le domaine de la fatigue misent en oeuvre par le LMPM ces dernières années sur des matériaux traités en surface montrent que des améliorations remarquables de durée de vie peuvent être obtenues y compris lorsque le traitement ne concerne qu'une épaisseur de l'ordre ou inférieure au micromètre. Ces résultats laissent penser que le procédé de nitruration plasma proposé permettrait alors d'améliorer les propriétés en fatigue de ces matériaux. En outre ce traitement présente le double avantage de pouvoir réaliser une nitruration des aciers inoxydables ce qui n'était pas possible auparavant et de pouvoir traiter des formes complexes non planes. Les résultats concernant la nitruration d'un acier inoxydable austénitique polycristallin de type 316L par ce procédé de nitruration plasma particulier ont permis de mettre en évidence différents phénomènes induits en surface. En particulier des effets importants de rotations cristallographiques des grains de surface ont été relevés conduisant à la création d'une texture de surface. Ces résultats ont été analysés à partir de mesures obtenues par EBSD sur de larges zones (LMPM). On montre notamment une tendance forte à la réorientation des grains vers les directions <111> et <001>. Ce processus s'accompagne de plasticité sous la forme de bandes de glissement et a même localement pour conséquence des phénomènes d'endommagement. Ces processus sont en grande partie dus à la dilatation des grains de surface lors de l'insertion d'azote en grande concentration pendant le traitement. L'étude des systèmes de glissement activés a permis de remonter en partie aux sollicitations mécaniques en surface dues au traitement (contrainte de compression résiduelle, dilatation normale à la surface). Il a été montré que le « gonflement » est directement lié à l'orientation cristallographique des grains (couplage EBSD - profilomètre optique interférométrique du LMS). Les expériences de diffraction des rayons X réalisées au PHYMAT ont permis de connaître plus précisément la structure de la zone nitrurée. Du coté des propriétés mécaniques, ont à pu mettre en évidence par des séries d'essais mécaniques de fatigue oligocyclique sous déformation plastique imposée (LMPM), une augmentation considérable des propriétés en fatigue (durée de vie multiplié par 3 fois sous forte déformation plastique imposée). Les nombreux essais menés au cours de l'année 2009 ont permis de montrer par leurs analyses que l'amélioration des propriétés en fatigue est directement liée aux contraintes de compression dans la couche nitrurée. Plus les contraintes de compression dans la couche sont élevées, plus la durée de vie en fatigue est importante. Ce résultat est remarquable en ce qui concerne la fatigue des aciers nitrurés. Le lien entre les modifications de la structure en surface du matériau et les conséquences sur l'amélioration en fatigue a été fait.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude de la dégradation par fatigue des structures nucléaires. Dans un premier temps, des essais de propagation d'une fissure longue par fatigue ont été menés sur des éprouvettes CT et SENT, dans l'acier inoxydable austénitique 304L, pour différentes conditions d'essai. Les influences d'une pré-déformation initiale ainsi que l'histoire du chargement sur le niveau de fermeture ont ainsi été mises en évidence et quantifiées. La comparaison d'essais sous air et sous vide a également permis de confirmer les effets d'environnement. Un second volet expérimental a porté sur la propagation d'une fissure courte pour différentes amplitudes constantes du facteur d'intensité de contraintes, avec un rapport de charge R = 0,1, sous air. La fermeture a été mesurée pour différentes longueurs de fissure obtenues par usinage progressif du sillage plastique puis par propagation d'une fissure courte 2D. Une méthode de détermination automatique du niveau de fermeture a été mise en place, permettant une détection précise pour des longueurs de fissure minimales de 0,1mm. L'influence prépondérante de la longueur de la fissure sur la fermeture a ensuite été identifiée. Des calculs tridimensionnels par éléments finis ont ensuite été réalisés sur le code ABAQUS, avec prise en compte du sillage plastique et de la fermeture par plasticité. Les essais numériques ont permis de retrouver, en les expliquant, les différents résultats expérimentaux précédemment obtenus.

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.

Ce mémoire présente la recherche effectuée concernant le développement d’une nouvelle méthode de dimensionnement spécifiquement dédiée aux sections en acier en I très élancées par l’entremise de l’Overall Interaction Concept (O.I.C.). Le comportement en section est défini par deux comportements extrêmes, soit la résistance et l’instabilité pure. Les méthodes de calculs couramment utilisées dans les normes nécessitent d’abord de classer la section pour ensuite calculer les propriétés de la section efficace. Ces méthodes comportent quelques incohérences ainsi qu’un manque de précision. Une nouvelle méthode de dimensionnement qui considère la section entière – qui ne requiert donc plus de calculer les propriétés efficaces – et l’interaction entre les plaques peut et doit être développée. La considération des imperfections tant géométriques que matériels permet d’atteindre une plus grande précision, et l’utilisation d’outils numériques performants permet également d’augmenter l’efficacité des calculs. L’Overall Interaction Concept permet de calculer rapidement la résistance en section en fonction de l’élancement relatif généralisée, au moyen de courbes d’interaction. L’objectif principal de cette maîtrise est donc d’adapter l’O.I.C. aux sections ouvertes en I très élancées, comme celles utilisées dans le domaine des ponts, soumises à des cas de chargement simples (compression pure ou flexion d’axe fort seulement). Un modèle numérique a d’abord été développé en réalisant entre autres une étude de densité de maillage et des études sur les imperfections géométriques et matérielles à utiliser. Cette dernière étude doit être fait minutieusement et les choix effectués doivent être justifiés convenablement puisqu’aucune donnée expérimentale n’est disponible pour calibrer le modèle. Une fois le modèle fiable développé, une campagne numérique comptabilisant plus de 3500 simulations a été faite, permettant ainsi d’analyser l’effet de certains paramètres sur la résistance en section. Sur la base de ces simulations numériques, une proposition de méthode de dimensionnement a été faite en fonction des paramètres déterminants, c’est-à-dire le choix des contraintes résiduelles, du type de chargement et des propriétés géométriques géométrique de la section par l’entremise du paramètre μ. La formulation d’Ayrton-Perry a été adaptée pour définir les courbes d’interaction servant à prédire la résistance. En parallèle au développement de la méthode, des études ont été effectuées pour comparer les résultats obtenus pour la résistance en section selon les normes canadiennes, américaines et européennes avec les résultats obtenus numériquement. Ainsi, il a été possible d’observer la capacité d’amélioration des méthodes couramment utilisées tant en termes de précision que de simplicité. / This dissertation presents research developments related to the design of very slender open steel sections through the Overall Interaction Concept (O.I.C.). The cross-sectional behaviour is defined by two extreme, ideal behaviours: pure resistance and pure instability. Methods used in the current standards need to classify the section, and, in the case of bridge sections, to calculate effective properties. This method presents some inconsistencies, as well as accuracy issues. A new design approach considering the whole section – and by that interaction between plates – was developed. By including the geometrical and material imperfections, more accuracy can be reached, and using numerical tools can increase the efficiency as well. The Overall Interaction Concept allows to calculate fast the resistance of a cross-section by using a generalized relative slenderness, so-called interaction curves. The main aim of this master is to adapt the O.I.C. to very slender open I-sections subjected to simple load cases (major-axis bending moment and pure compression). A numerical model has been developed by carry out mesh density study, and imperfections studies. This part had to be carefully detailed and assessed since no experimental data can be available to calibrate the numerical models. Once a reliable model was settled, a numerical campaign of more than 3500 simulations has been undertaken, allowing to analyse the effects of many key parameters. Based on these numerical simulations, design proposals were made as based on the identified governing parameters, i.e. the residual stresses pattern, load case and geometrical properties by means of newly-proposed parameter μ. An extension of the Ayrton-Perry formulation is finally used to define crosssection interaction curves. Besides, systematic comparison with Canadian, American and European Standards are done with the results from numerical simulations allowing to observe the improvement capacity of the current methods, in terms of accuracy and simplicity.

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.

Les différentes normes mondiales, dont la norme CSA-S6-06, imposent des critères précis de résistance en fatigue pour diverses catégories d’assemblage. Une connexion soudée à angle avec support envers non répertoriée fait l’objet du présent projet. Un volet expérimental a mis à l’essai dix échantillons représentatifs du détail réel afin de construire des courbes S-N pour comparaison directe avec la norme CSA-S6-06. Un volet numérique a permis d’analyser les contraintes induites sur les échantillons et l'influence de certains paramètres physiques et géométriques. De façon conservatrice, les deux séries de fabrication sont de catégorie E, bien qu’il soit justifié d’utiliser une catégorie D pour les deux séries, respectant ainsi les critères de résistance en fatigue de la norme CSA-S6-06. La modélisation numérique confirme que les défauts de rectitude et aussi les contraintes résiduelles sont les paramètres influençant le plus la résistance en induisant des concentrations de contraintes très importantes.

Les nombreux avantages de l’acier haute-performance (HPS) ont suscité un grand intérêt pour les structures de ponts aux États-Unis. Il pourrait être aussi bénéfique d’introduire ce matériau moderne au Canada, mais la résistance en fatigue et la viabilité économique n’ont pas été bien caractérisées. Dans le cadre d’un projet de pont spécifique au Canada, un détail critique en fatigue sur une poutre d’acier hybride a été identifié et reproduit à l’échelle réelle. Un programme expérimental a permis de tester quatre (4) échantillons afin de comparer leur résistance avec la norme CAN/CSA (2006). Considérant un nombre de données insuffisantes pour l’instant, il n’est statistiquement pas possible de juger de la réelle résistance en fatigue du détail ciblé. Une étude de coûts a également été complétée. Selon les configurations étudiées, les économies peuvent atteindre 6% à 20% seulement par l’utilisation de poutres hybrides avec HPS, comparativement à des poutres d’acier conventionnelles. / The numerous benefits of high performance steel (HPS) raised great interest in bridge structures in the United States. It could be as positive to introduce this modern material in Canada, but the fatigue resistance and economic have not been well characterized. As part of a specific bridge project in Quebec, a critical fatigue detail on a hybrid steel girder has been identified and reproduced to scale. An experimental program was used to test four (4) samples to compare their fatigue strength with CAN/CSA (2006). Considering the insufficient number of data for the moment, is it statistically impossible to specify the actual fatigue resistance of the target detail. A cost study was also conducted. According to the configurations studied, the savings can reach 6% to 20% only by the use of hybrid girders system with HPS, compared to conventional steel girders.