L'usinabilité des composants en acier PM est nettement inférieure à celle des aciers corroyés en raison de la présence de porosité résiduelle et de l'hétérogénéité de leur microstructure. Les problèmes liés à l'usinabilité constituent une part importante des coûts de production globaux des pièces en acier PM. La stratégie la plus populaire pour améliorer leur usinabilité consiste à mélanger un composé chimique, tel que MnS, MoS2 ou BN-h, à la poudre de base. Ces améliorateurs d'usinabilité améliorent le comportement d'usinage des aciers PM en diminuant les forces de coupe impliquées dans la formation de copeaux et en lubrifiant la surface de l'outil de coupe, ce qui en retour réduit à la fois l'usure en flanc et l'usure en cratère. Cette étude met en évidence une nouvelle approche pour développer des activateurs d'usinabilité conçus pour maximiser l'usinabilité des composants d'acier PM sans affecter les propriétés mécaniques ni la résistance à la corrosion. Ainsi, il a été décidé de revêtir les particules de MnS d'une couche de nickel pouvant agir comme une barrière pour neutraliser leur nature hygroscopique et augmenter la résistance à la corrosion des pièces en acier PM. De plus, il a été prévu que les propriétés mécaniques peuvent être améliorées en raison de la formation de liaisons métallurgiques entre le revêtement de nickel des particules de MnS et la matrice d'acier, tandis que le MnS améliore simultanément l'usinabilité de la pièce en acier PM. Une comparaison avec des additifs d'usinage commerciaux a été effectuée en termes d'usinabilité et de propriétés mécaniques. Il a été constaté que la résistance à la corrosion des échantillons contenant du MnS recouvert de nickel était excellent et identique à celle des échantillons sans additifs. De plus, les propriétés mécaniques ne sont pas affectées par la présence de l'additif nouvellement développé par rapport à ce qui a été mesuré lorsque le MnS a été utilisé. Enfin, la caractérisation de l'usinabilité a montré que l'ajout du MnS revêtu de nickel comme additif d'usinage pouvait améliorer l'usinabilité aussi bien que le MnS. / Machinability of PM steel components is significantly lower than that of wrought steels due to the presence of residual porosity and the heterogeneity of their microstructure. Machinability-related issues constitute a significant portion of the overall production costs of PM steel parts. The most popular strategy for improving their machinability involves admixing a chemical compound, such as MnS, MoS₂ or BN-h, to the base powder. These machinability enhancers improve the machining behavior of PM steels by decreasing the cutting forces involved with chip formation and by lubricating the surface of the cutting tool, which in return, reduces both flank wear and crater wear. This study highlights a novel approach for developing machinability enhancers engineered to maximize the machinability of PM components without affecting their mechanical properties nor corrosion resistance. Thus, it was decided to coat MnS particles with a nickel layer that can act as a barrier to neutralize their hygroscopic nature and increase the corrosion resistance of PM steel parts. Moreover, it was anticipated that mechanical properties could be improved due to the formation of metallurgical bonds between the nickel coating of the MnS particles and the steel matrix, while the MnS core of the additive would improve machinability of the PM steel component simultaneously. A comparison with commercial machining additives was performed in terms of both machinability and mechanical properties. It was found that the corrosion resistance of the samples containing nickel-coated MnS was excellent and identical to that of samples without additives. Moreover, mechanical properties are not affected by the presence of the newly developed additive compared to what was measured when MnS was used. Finally, machinability characterization showed that the addition of the nickel-coated MnS as a machining additive could improve machinability as well as MnS does.

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.

Cette étude a pour but de développer de nouveaux matériaux composites à matrice métallique renforcés par des nanotubes de carbone (CNT) et présentant des propriétés mécaniques améliorées. La majeure partie de ce travail a été réalisée en utilisant des CNT multi-feuillets synthétisés par déposition chimique en phase vapeur en tant que renforts et un alliage d'aluminium AA5083 comme matrice. Des composites CNT/AA5083 denses et homogènes ont été élaborés par le procédé de métallurgie des poudres suivi par une étape de mise en forme, l'extrusion. L'homogénéité de la dispersion des CNT à l'échelle microscopique dans les composites s'avère être un paramètre clé pour l'amélioration des propriétés mécaniques. Ceci a été réalisé par broyage planétaire à haute énergie impliquant des mécanismes de déformation plastique et de soudure à froid et a été démontré à l'aide d'études cartographiques par spectroscopie Raman. La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la micro-dureté des composites homogènes ont été augmentées jusqu'à respectivement 55%, 61% et 33% en comparaison avec l'alliage sans CNT et préparé dans les mêmes conditions. Le coefficient de dilatation thermique a été quant à lui réduit de 10%. Les propriétés optimales ont été obtenues pour des concentrations en CNT de 1,5 % en masse. Le renforcement du matériau a été principalement attribué au transfert de charge à l'interface CNT/matrice. / The overall goal of this thesis is to process new metal matrix composites reinforced by CNT with enhanced mechanical properties. The main part of this work was achieved using CVD-grown multi-walled CNT as reinforcement and a high-performance light aluminium alloy, AA5083, as the matrix. Dense and homogeneous CNT/AA5083 composites were processed by the powder metallurgy route, followed by an extrusion forming process. A homogeneous dispersion of the CNT in the composites at the micron scale appears to be a key parameter for improving the mechanical properties. This could be achieved using high energy ball milling through the mechanisms of plastic deformation and cold-welding, and was demonstrated from Raman spectroscopy cartography studies. Yield strength, ultimate tensile strength and micro-hardness of the homogeneous composites were increased by up to 55%, 61% and 33%, with respect to raw alloys processed in the same conditions, and the coefficient of thermal expansion was decreased by 10%. Optimal results were obtained with a CNT con-tent of 1.5 wt.-%. The material strengthening was principally attributed to load transfer at the CNT/matrix interface.

Ce mémoire de thèse synthétise trois années de recherches dédiées à l'étude numérique et théorique de la compression à haute densité de poudres métalliques. Des diérentes phases qu'intègrent la métallurgie des poudres, la phase de compression à froid de la poudre est l'une des phases les plus sensibles de ce procédé de fabrication, car elle influence les propriétés mécaniques de la pièce finale. Il est donc nécessaire de mettre en place une approche numérique qui permet de contrôler et d'optimiser la compression de poudre jusqu'à de fortes valeurs de compacité (compacité supérieure à 0:9). Pour cela, nous proposons de reproduire par la méthode des éléments discrets le comportement de la poudre observé expérimentalement sous diérents types de chargement. A ce jour, les simulations via cette méthode sont limitées à une valeur de compacité ne dépassant pas 0:85. Pour dépasser ces limitations, nous présentons un modèle de contact implémenté dans un code éléments discrets libre (Yade). Ce nouveau modèle de contact est développé sur la base de la loi de contact normal qui intègre le terme de densité locale des particules dans son expression, afin de prendre en compte l'incompressibilité des grains se produisant à des valeurs de compacité supérieures à 0:85. Dans le but de procéder à des simulations plus réalistes, un nouvel algorithme géométrique de génération d'empilements de sphères polydisperses est développé. Ce nouvel outil numérique est capable de générer très rapidement de grands assemblages de sphères en contact tout en contrôlant diérents paramètres comme la distribution de la compacité, la taille minimale et maximale des sphères. Avec le modèle de contact capable de reproduire l'interaction entre les grains et la création d'un algorithme pouvant générer des assemblages de sphères similaires à un tas de poudres, nous procédons à des simulations de compression isostatique et en matrice pour diérents types de poudres (cuivre, aluminium, fer). Les résultats obtenus sont directement comparés à ceux issus des simulations éléments finis multi-particules et de l'expérience. Ces comparaisons permettent ainsi de valider et de tester la robustesse du modèle de contact développé. Pour finir, nous investiguons sur la base de nos divers développements validés, l'évolution d'une poudre d'aluminium avec un gradient de compacité au cours d'une compression en matrice.

Les principes de base de l'élaboration des matériaux présentant de bonnes propriétés mécaniques sont connus depuis que la théorie des dislocations fut développée. Si la ductilité nécessite une mobilité raisonnable des dislocations, la résistance mécanique est, elle, liée à la présence des obstacles qui limitent le mouvement des dislocations. Parmi les différentes méthodes pour introduire ces obstacles l'affinage de la taille des grains a une contribution importante. Cependant, les propriétés mécaniques d'un agrégat polycristallin ne dépendent pas uniquement de la taille moyenne des grains mais aussi de la dispersion des tailles de grains dans le matériau. La métallurgie des poudres est une technologie versatile pour élaborer des microstructures “à la demande”. Dans ce cadre, nous avons utilisé la compaction isostatique à chaud (CIC) et le frittage flash (SPS) pour générer à partir de (nano)poudres de nickel pur, différents microstructures afin d'en étudier les influences sur le comportement mécanique macroscopique. En parallèle, nous avons, dans le cadre d'une modélisation micromécanique selon un schéma auto cohérent généralisé, modélisé le comportement macroscopique tenant compte des fraction volumiques des phases constituantes (grains, joints de grains) ainsi que leurs dispersions statistiques.

La protection des matériaux contre l'oxydation est un domaine de recherche important et il existe déjà de nombreuses méthodes basées, pour la plupart, sur le dépôt de revêtements anti-corrosion à la surface de pièces massives.<br />Cependant, sous l'effet de diverses sollicitations de type mécanique, la barrière de protection peut être endommagée (détérioration partielle ou complète), et dans ce cas, le matériau massif sous-jacent se trouve alors en contact direct avec l'atmosphère agressive environnante.<br />Pour palier à ce problème, et dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes fixés comme objectif, dans un premier temps, de revêtir chacune des particules métalliques d'une couche résistant à l'oxydation.<br />L'objectif ultime étant d'utiliser la métallurgie des poudres pour former un matériau massif par frittage de ces poudres revêtues. Ainsi, le matériau composite obtenu par cette voie sera protégé à "coeur", à l'échelle de chaque particule, contre l'oxydation.<br />Le procédé de mécanofusion a permis de revêtir des particules de fer par de l'alumine.<br />Le procédé de dépôt chimique en phase vapeur à partir d'un organo-métallique a permis la formation d'une couche d'aluminium à la surface de particules de fer en lit fluidisé.<br />Cette couche d'aluminium est surmontée d'une couche d'alumine métastable gamma. <br />L'étude des cinétiques d'oxydation a montré que les particules de fer revêtues d'une bi-couche Al/Al2O3 ne s'oxydent pas. L'oxydation des particules de fer revêtues d'alumine est, quant à elle, plus lente que celle des particules de fer non revêtues.<br />Aux plus basses températures (T < 600°C), l'oxydation résulte de l'incursion d'oxygène gazeux à travers les pores et fissures du revêtement.<br />Aux plus hautes températures, l'oxydation résulte de la diffusion des cations fer à travers la couche d'alumine.<br />Les matériaux massifs élaborés par frittage flash des particules de fer revêtues d'alumine conservent la microstructure initiale des particules revêtues.<br />Lors du frittage par compression isostatique à chaud, le revêtement se retrouve sous forme d'îlots au sein d'une matrice de fer. Dans les deux cas, l'alumine se transforme en un composé ternaire de formule FeAl2O4 appelé hercynite.<br />Les essais d'oxydation, menés à 720°C sur ces échantillons frittés, montrent que la présence d'hercynite permet de ralentir le processus d'oxydation, et que les massifs ayant conservé la microstructure initiale des particules revêtues présentent la plus faible vitesse d'oxydation.

Le procédé d'élaboration de multimatériaux par métallurgie des poudres est employé pour combiner des propriétés complémentaires en minimisant le nombre d'étapes. Afin de comprendre les phénomènes mis en jeu et d'établir une méthodologie d'étude, un bimatériau modèle base Fe/base WC, comportant uniquement trois éléments, a été étudié. La méthodologie est basée sur une approche physicochimique, l'étude du frittage de chaque monomatériau puis du bimatériau. Ces résultats ont été appliqués au frittage du bimatériau acier X120Mn12/carbure, associant ténacité et dureté. La même méthodologie a été mise en oeuvre pour réaliser le frittage d'un bimatériau acier 1.4313/Stellite 6, associant résistance mécanique et résistance à la corrosion. Ces études ont montré l'importance des interactions chimiques et mécaniques à l'interface des deux couches au cours du frittage de bimatériaux.

Ce travail concerne l'étude de l'évolution au cours du dégazage à chaud d'une poudre d'alliage d'aluminium X7091 concernant 6.3% de zinc, 2.2% de magnésium et 1.6% de cuivre. En l'absence de traitement thermique et gazeux, l'alliage X7091 est recouvert d'une couche d'oxydes hydratés qui assure un rôle protecteur vis-à-vis de l'oxydation et de la sublimation des éléments alliés. La stabilité de cette couche est essentiellement fixée par sa teneur en eau de constitution, elle-même fonction des conditions de température et de pression. Pour une perte en eau critique de 0,1% en masse, il y a précipitation d'une nouvelle phase oxydée à travers laquelle le zinc et le magnésium sont susceptibles de diffuser. Dès lors, il y a compétition entre le phénomène de sublimation et celui d'oxydation. La nature de l'atmosphère gazeuse environnante est alors déterminante sur le type de processus mis en jeu. En présence d'oxygène ou de vapeur d'eau, l'oxydation du magnésium devient importante et la couche de magnésie formée assure à nouveau un effet protecteur vis-à-vis du départ du zinc. La mise au point d'un modèle représentant l'évolution des couches superficielles et son application aux résultats expérimentaux conduit à la détermination des valeurs des coefficients de diffusion de l'eau dans la couche d'oxydes et du magnésium dans l'oxyde. Les informations obtenues sont exploitables à l'échelon industriel. Elles ont permis la détermination des conditions optimales de dégazage de l'alliage X7091 et par suite la fabrication de pièces mécaniques saines aux côtes finies.

Les aciers au nickel sont fréquemment utilisés pour produire des pièces en métallurgie des poudres (MP) lorsqu'une bonne résistance mécanique, une bonne ténacité et une bonne résistance à l'usure sont nécessaires. Dans ces aciers, le nickel est majoritairement ajouté sous forme de particules de nickel pur, mais étant donné sa faible diffusivité dans le fer aux températures conventionnelles de frittage (1120-U50°C (~ 2050-2100°F)), il y a souvent formation de zones riches en nickel (NRA) lors du frittage. Par conséquent, la microstructure de ces aciers est hétérogène et est constituée de perlite, de bainite, de martensite et d'austénite résiduelle. Néanmoins, la littérature offerte aux producteurs de pièces en MP est nébuleuse quant à la répartition du nickel prémélangé suite au frittage et à son effet sur la microstructure. De plus, il semble y avoir une contradiction entre la faible résistance mécanique de l'austénite, retrouvée dans les NRA qui sont situées à des endroits névralgiques pour l'intégrité physique de la pièce, et les hautes résistances mécaniques rapportées par la littérature pour les aciers au nickel produits par MP. Dans ce contexte, les travaux de recherche présentés dans cette thèse visaient à : caractériser les principaux mécanismes de diffusion du nickel dans le fer, ainsi que son influence sur la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces frittées; évaluer l'hypothèse qu'il y a formation de martensite induite par la déformation plastique (a') dans les NRA lors des essais mécaniques; déterminer si l'addition d'une faible proportion de nanoparticules de nickel à un mélange d'acier au nickel peut résulter en une distribution plus uniforme du nickel prémélangé dans les pièces frittées. Les résultats démontrent : que le nickel se distribue principalement dans le fer à l'aide des mécanismes de diffusion de surface et de diffusion aux joints de grains; qu'il y a formation de a' dans les NRA lors des essais mécaniques et que la proportion formée est proportionnelle à la concentration de nickel prémélangé; que l'ajout de nanoparticules initie les mécanismes de diffusion à plus basse température et produit moins de NRA, sans pour autant améliorer les propriétés mécaniques statisques des pièces finales.

Dans l'industrie, la fabrication de pièces en métallurgie des poudres implique typiquement le pressage à froid d'une poudre métallique dans un outillage spécialement conçu permettant de produire un comprimé ayant la forme de la pièce désirée. Par la suite, ce comprimé est fritte à température élevée afin de souder, par diffusion moléculaire, les particules entre elles, et ainsi, obtenir une pièce résistante aux efforts. Cette technique permet une production à cadence élevée et à faible coût de pièces assez petites et parfois très complexes comprenant des engrenages, des cannelures et plusieurs autres geometries souvent infaisables ou difficiles à réaliser autrement. En raison de leur légèreté et des températures de frittage plus basses, les alliages d'aluminium sont régulièrement employés malgré la présence de certains problèmes de gommage et de coincement des outils ainsi qu'un coût plus élevé de la poudre d'aluminium. Ce projet vise donc à étudier et à améliorer la production par métallurgie des poudres de pièces en alliage d'aluminium. Il se divise en deux principaux volets. Le premier volet porte sur le pressage à froid et plus particulièrement sur l'amélioration des techniques de remplissage et de pressage de la poudre d'aluminium allié alors que le second volet étudie certaines techniques de pressage à chaud. Dans le premier volet, différentes façons d'améliorer le remplissage des cavités avec de la poudre d'aluminium ont été expérimentées, notamment en regard de plusieurs paramètres. Au pressage, les phénomènes de friction et de gommage ont été étudiés puis la cinématique des outils a été analysée afin de réduire les risques de fissuration des comprimés. Dans l'industrie, l'opération de frittage contribue significativement aux coûts de fabrication des pièces. Le second volet du pressage à chaud visait donc à éliminer partiellement ou totalement ce frittage tout en augmentant la densité et la résistance des pièces. Pour ce faire, deux méthodes ont été proposées et expérimentées: (1) le forgeage de pièces préalablement pressées et frittées plus ou moins légèrement, et (2), une nouvelle méthode de pressage de poudres à température élevée ne nécessitant pas de frittage.