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.

<p align='justify'>L’adaptation des surfaces pour des fonctions prédéterminées par le choix des matériaux métalliques ou des couches minces ayant des propriétés mécaniques avancées peut potentiellement permettre de réaliser des nouvelles applications à petites échelles. Concevoir de telles applications utilisant des nouveaux matériaux nécessite en premier lieu la connaissance des propriétés mécaniques des matériaux ciblés à l’échelle microscopique et nanoscopique. Une méthode souvent appliquée pour caractériser les matériaux à petites échelles est la nanoindentation, qui peut être vue comme une mesure de dureté à l’échelle nanoscopique.</p><p><p align='justify'>Ce travail présente une contribution relative à l'interprétation des résultats de la nanoindentation, qui fait intervenir un grand nombre de phénomènes physiques couplés à l'aide de simulations numériques. A cette fin une approche interdisciplinaire, adaptée aux phénomènes apparaissant à petites échelles, et située à l’intersection entre la physique, la mécanique et la science des matériaux a été utilisée. Des modèles numériques de la nanoindentation ont été conçus à l'échelle atomique (modèle discret) et à l'échelle des milieux continus (méthode des éléments finis), pour étudier le comportement du nickel pur. Ce matériau a été choisi pour ses propriétés mécaniques avancées, sa résistance à l'usure et sa bio-compatibilité, qui peuvent permettre des applications futures intéressantes à l'échelle nanoscopique, particulièrement dans le domaine biomédical. Des méthodes avancées de mécanique du solide ont été utilisées pour prendre en compte les grandes déformations locales du matériau (par la formulation corotationelle), et pour décrire les conditions de contact qui évoluent au cours de l'analyse dans le modèle à l'échelle des milieux continus (traitement des conditions de contact unilatérales et tangentielles par une forme de Lagrangien augmenté).</p><p><p align='justify'>L’application des modèles numériques a permis de contribuer à l’identification des phénomènes qui gouvernent la nanoindentation du nickel pur. Le comportement viscoplastique du nickel pur pendant nanoindentation a été identifié dans une étude expérimentale-numérique couplée, et l'effet cumulatif de la rugosité et du frottement sur la dispersion des résultats de la nanoindentation a été montré par une étude numérique (dont les résultats sont en accord avec des tendances expérimentales).</p> <p><p align='justify'>Par ailleurs, l’utilisation de l’outil numérique pour une autre application à petites échelles, la manipulation des objets par contact, a contribué à la compréhension de la variation de l’adhésion électrostatique pendant micromanipulation. La déformation plastique des aspérités de surface sur le bras de manipulateur (en nickel pur) a été identifiée comme une source potentielle d’augmentation importante de l'adhésion pendant la micromanipulation, qui peut potentiellement causer des problèmes de relâche et de précision de positionnement, observés expérimentalement.</p><p><p align='justify'>Les résultats présentés dans cette thèse montrent que des simulations numériques basées sur la physique du problème traité peuvent expliquer des tendances expérimentales et contribuer à la compréhension et l'interprétation d'essais couramment utilisé pour la caractérisation aux petites échelles. Le travail réalisé dans cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche appelé "mini-micro-nano" (mµn), financé par la Communauté Française de Belgique dans le cadre de "l'Action de Recherche Concertée", convention 04/09-310.</p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished