Cette thèse a pour but d’augmenter la durée de vie des moules pour l’injection plastique. Les principaux phénomènes à refréner sont l’usure par abrasion et l’usure par corrosion. Pour ce faire, deux familles de matériaux ont été présélectionnées. Il s’agit des aciers à outils inoxydables et des verres métalliques massifs. Ces travaux détaillent donc la sélection, le développement et la caractérisation d’une nuance pour chacune de ces familles. In fine, cette thèse délivre un nouvel acier adapté à la fabrication additive et aux moules d’injection plastique, allant de l’élaboration de la poudre à l’optimisation des paramètres LBM et de ceux du traitement thermique. Cet acier permet d’offrir un bon compromis en termes de propriétés thermiques, mécaniques et de résistance à la corrosion. Quant au verre métallique massif, ces travaux de thèse démontrent que la nuance choisie permet de conserver suffisamment de matériau amorphe pour induire des propriétés exceptionnelles. / The aim of this thesis is to increase molds lifetime. Mains phenomena to limit are abrasion wear and corrosion. For this purpose, two material families have been preselected. They have been identified among stainless steels and bulk metallic glasses. This work details their selection, development in additive manufacturing and characterization for both materials. In the end, this thesis delivers a new steel grade adapted to the additive manufacturing and plastic injection molds, which affords good corrosion resistance, high hardness and a comparatively good thermal conduction. Concerning the bulk metallic glass, this work shows that the chosen composition allowed to preserve enough amorphous material to induce exceptional properties and give strong hopes to continue in this vein.

Lors des procédés de mise en forme à chaud des matériaux métalliques, les surfaces des outillages sont soumises à des sollicitations thermiques, mécaniques et physico-chimiques. Le frottement et l'usure jouent un rôle important dans l'endommagement de ces surfaces. De plus, les couches d'oxyde dues à la haute température influencent les mécanismes d'usure. L'objectif de ce travail est de définir un modèle phénoménologique des mécanismes activés dans un contact haute température durant les premiers instants de frottement à partir du concept du troisième corps. Des essais tribologiques pion-disque de très faible durée ont été effectués avec pour particularité la création de pièges à troisième corps à la surface des pions. Ces pièges nous ont permis d'identifier le troisième corps qui circulait dans le contact, et ont mis en avant les différents débits de premiers et de troisième corps qui se sont activés. A partir d'observations MEB couplées à des analyses EDS, le troisième corps a été identifié, et il apparaît qu'il en existe plusieurs types qui ont cependant tous pour origine commune le pion. Une fois la source du troisième corps connue, les mécanismes de sa formation et de sa circulation ont été déterminés. Enfin, les mécanismes d'accommodation de la différence de vitesse et les débits de particules ont été définis et ont permis d'établir un modèle phénoménologique d'un contact à haute température. / In high temperature forming processes, the tool surfaces are the privileged places for thermal, mechanical, and physico-chemical solicitations. Friction and wear play an important part in tool surface damage. Thus, oxide scales due to the high temperature influence the wear mechanisms. The aim of this work is to define a phenomenological model of the activated mechanisms in a high temperature contact during the first seconds of friction, based on the third body concept. Very short tribological tests, using a pin-on-disc tribometer were carried out. The main characteristic of these tests was the creation of third body traps on the pin surface. The aim of these traps was to identify the third body which was circulating in the contact, and to highlight the activated flows of the first and third bodies. SEM observations and EDS investigations have revealed that different types of third body circulate in the contact, but each type was a part of the pin. Once the source of the third body was identified, its formation and circulation mechanisms were determined. Finally, accommodation mechanisms and particles flows were defined and used to develop a phenomenological model of a high temperature contact.

Ce travail constitue une contribution visant à décrire le comportement et prédire la durée de vie en fatigue d'aciers à outils pour travail à chaud. Pour y parvenir, la méthodologie suivie, s'articule autour de deux parties complémentaires qui sont l'étude de modèles de comportement et de durée de vie adaptés aux aciers martensitiques revenus. Le comportement cyclique des aciers X38CrMoV5 (47HCR) et 55NiCrMoV7 (42 HCR) a été étudié dans différentes conditions de sollicitations et de température. L'influence de la vitesse et de l'amplitude de déformation, des temps de maintien dans les cycles ainsi que les effets de rochet ou d'accommodation plastique pour des essais pilotés en contrainte ont été inclus dans la modélisation. Deux modèles (ONERA, 2M1C) s'inscrivant dans le cadre des processus irréversibles de la thermodynamique ont été considérés. Ils ont été présentés et identifiés avec succès par niveau de complexité croissant selon les types de sollicitations pris en compte. Comparé au modèle ONERA, le modèle 2M1V permet les meilleures descriptions des essais en déformation et des essais à contrainte imposée. En outre,deux mécanismes différents issus du modèle ont été rattachés aux évolutions de microstructure (dislocations, carbures) identifiées en fatigue oligocyclique. Deux étapes de validation ont ensuite été menées fournissant des résultats encourageants: la première, dans une configuration isotherme à l'aide d'essais à déplacement imposé réalisés sur des éprouvettes à concentration de contraintes, la deuxième anisotherme à partir d'essais de fatigue thermique menés conjointement avec l'université de KARLSTAD (Suède). L'étude de la durée de vie de l'acier X38CrMoV5 a été abordée dans une deuxième partie. Afin de couvrir une large gamme de sollicitations comparable à celle induite dans les procédés de mise en forme à chaud, des essais LCF ont été effectués pour compléter la base expérimentale existante. Les mécanismes d'amorçage et de propagation en fatigue relaxation à 560°C ont de plus été étudiés. Enfin, un modèle d'endommagement continu anisotherme de type ONERA a été identifié. L'analyse des résultats expérimentaux utilisés lors de l'identification n'a pas fait apparaître de mécanisme dépendant du temps, aussi seule la composante d'endommagement de fatigue a été activée dans la modélisation. La dernière phase de cette étude concerne la validation du modèle de durée de vie. Les prédictions fournies par le modèle ont été comparées avec le nombre de cycles à rupture issu d'essais LCF et TMF d'un précédent travail.

Les outillages de mise en forme à chaud sont soumis à des sollicitations thermomécaniques transitoires. Ils sont donc confrontés à la fissuration par fatigue. Le but de ce travail est d'étudier le comportement et la durée de vie en fatigue des aciers d'outillage, notamment leurs résistances à la propagation de fissure. Dans un premier temps, les chargements thermiques imposés aux outillages de fonderie sous pression de magnésium et d'emboutissage à chaud ont été évalués. Ensuite, le comportement et la durée de vie de l'acier à haute conductivité thermique HDC1 ont été étudiés et comparés à l'acier AISI H11 (acier de référence) en fonction de la température. L'acier HDC1 présente un adoucissement cyclique stable à 20°C et 300°C. Par contre, l'intensité d'adoucissement est plus importante à hautes températures. La durée de vie a été étudiée en utilisant les lois de Manson-Coffin et de Basquin. A hautes températures, l'oxydation devient un mécanisme d'endommagement primordial pour l'acier HDC1 et provoque des durées de vie plus courtes que celles observées sur l'acier AISI H11. La résistance à la propagation de fissure de fatigue a été déterminée dans des aciers à la température ambiante par le biais de critères : l'amplitude de facteur d'intensité de contrainte (∆K) et l'amplitude d'ouverture en pointe de fissure (∆CTOD). La méthode de corrélation d'images a permis de mesurer (∆COD) et d'évaluer (∆CTOD). L'ensemble de ces résultats a permis de mettre en évidence l'effet de fermeture de fissure et le comportement plastique en pointe de fissure. ∆CTOD présente un bon critère pour rationaliser la propagation de fissure dans les aciers étudiés.Enfin, la simulation numérique de la propagation de fissure en fatigue a été menée dans l'acier AISI H11 à 600°C par la méthode de relâchement des nœuds en éléments finis. L'effet des modèles de comportement monotone (élastoplastique) et cyclique (élastoviscoplastique) a été étudié sur le calcul de l'ouverture de fissure et la plasticité en pointe de fissure. L'influence du modèle de comportement est faible sur le calcul de l'amplitude d'ouverture de fissure ∆COD, du fait d'une plasticité confinée en pointe de fissure. Alors que, le modèle de comportement cyclique est mieux adapté pour décrire la plasticité en pointe de fissure. / Hot metal forming tools are subjected to cyclic thermomechanical loading and damage by complex fatigue/wear/oxidation interactions. Thermal solicitations were measured on high pressure die casting and hot stamping processes. Based on thermal measurements, the isothermal fatigue behaviour and lifetime of a new high conductivity steel HDC1 were investigated at different temperatures and strain amplitude then compared to AISI H11 steel. As AISI H11, continue cyclic softening was observed in HDC1 at all temperatures. The Manson-Coffin and Basquin laws were used for life prediction models under different temperatures. It was observed that the fatigue/oxidation interaction was a principal damage mechanism of the HDC1 steel at high temperature. Fatigue crack propagation in steels was investigated at room temperature in SENT specimens. A digital image correlation technique was used to evaluate crack opening (∆COD) and crack tip opening displacement (∆CTOD) ranges. Crack growth rate were investigated using ∆K (Paris law) and ∆CTOD criteria. It was observed that the cyclic crack tip plasticity control the crack propagation resistance. Crack closure could be evaluated by ∆CTOD.Finite element method by debond technique was used to model the crack propagation of AISI H11 at 600°C using both monotonic elasto-plastic (EP) and cyclic elasto-viscoplastic (EVP) constitutive laws materials. The comparison of ∆COD calculated and measured had shown that monotonic EP and cyclic EVP had no significant effect on the ∆COD, mainly due to the small-scale yielding conditions. It is however observed that the cyclic constitutive law was the best suitable model for the crack tip plasticity effect.