Nos travaux ont porté sur la caractérisation de l’influence du cuivre sur la trempabilité. Vu le manque d’information concernant ce sujet, notre étude s’est fixée comme objectif général la caractérisation de l’effet du cuivre préallié et prémélangé sur la trempabilité des aciers MP (fabriqués par métallurgie des poudres). Dans un premier temps, l’étude vise à comparer l’effet du cuivre préallié (Cu p) et prémélangé (Cu m) sur la trempabilité et les propriétés mécaniques finales. Ensuite, elle tentait de prouver l’existence d’effet synergique entre le cuivre et le molybdène. Les résultats ont permis de démontrer l’influence de cuivre sur la trempabilité en fonction de l’étendue de notre étude. Ainsi, la distribution spatiale du cuivre dans la matrice de fer et son pourcentage, qui résultent de sa méthode d’addition et des conditions de traitement, affectent sa participation à la trempabilité et par la suite les propriétés mécaniques finales. En plus, d’après le plan d’expériences utilisé, le cuivre participe d’avantage à la trempabilité avec un effet synergique avec le molybdène. Il est aussi intéressant de mentionner que, dans les conditions de notre étude, l’effet du cuivre préallié sur la compressibilité est très faible (+4 %) par rapport au cuivre prémélangé. À un taux de refroidissement supérieur à 1,6 °C/s, l’addition de 2 %-pds de cuivre prémélangé et/ou préallié permet de former de la martensite. En effet, additionné sous forme préallié, 2 %-pds de cuivre permet de transformer 90,8 %-vol de la microstructure en martensite et ce, en respectant un taux de refroidissement de 2 °C/s. Cette microstructure est homogène. Ainsi, malgré la faible densité, cette microstructure améliore la dureté apparente et le module de rupture transversale d’à peu près 20 points sur l’échelle HRB et de 500 MPa respectivement et ce, pour un taux de 2,0 °C/s par rapport à l’acier Fe-0.6C-0.85Mo. D’autre part, le même pourcentage de cuivre additionné sous forme prémélangé permet la formation de 30 %-vol de martensite qui se concentre près des joints des grains. La microstructure est dans ce cas hétérogène. Pour les densités de pièces considérées, leurs propriétés mécaniques sont peu affectées par ce changement microstructural. / This study aims at understanding and quantifying the difference between the effects of premixed and prealloyed copper on hardenability. Given the lack of information concerning this subject, our study has set as general objective the characterization of the effect of prealloyed and premixed copper on the hardenability of PM steels. First, our study aims to compare the effect of prealloyed and premixed copper on the hardenability and the final mechanical properties. Then, it tried to prove the existence of synergistic effect between copper and molybdenum. According to the results, molybdenum and copper are the main parameters controlling hardenability within the scope of our study. In fact, spatial distribution of copper in the iron matrix and its percentage, which result from its method of addition and the condition of heat treatment, affect its participation in hardenability and consequently the final mechanical properties. Moreover, copper takes part in hardenability with a synergistic effect with molybdenum. It is also interesting to mention that for the conditions of our study, the effect of prealloyed copper on compressibility compared to premixed copper is very low (+ 4%). In fact, at a 1,6 °C/s cooling rate, the addition of 2 %-wt premixed and /or prealloyed copper allows the formation of martensite. Indeed, added as prealloyed, 2 %-wt copper transforms 90,8 %-vol of the microstructure into martensite using a cooling rate of 2 °C/s. Moreover, the obtained microstructure is homogeneous. Despite its low density, this microstructure improved apparent hardness by 20 points on HRB scale and 500 MPa for transverse rupture strength (TRS) using a cooling rate of 2 °C/s. On the other hand, with the same weight percent, premixed copper transforms only 30 %-vol of the microstructure into martensite. Moreover, the obtained microstructure is heterogeneous. For the range of green densities studied, it appears that this microstructure has little effect on mechanical properties.

Le forgeage de préformes fabriquées par métallurgie des poudres nous permet d’atteindre une densification voisine de la densité théorique ce qui a comme incidence directe une amélioration substantielle des propriétés mécaniques finales des pièces, notamment la résistance en fatigue. La démarche préconisée pour améliorer cette performance critique de pièces forgées par métallurgie des poudres consiste à optimiser leurs caractéristiques métallurgiques et leur densité concomitante. À ce propos, une nouvelle formulation d’acier MP a été développée et caractérisée. La stratégie de développement portait sur l’utilisation d’éléments de microalliage préalliés, comme le vanadium et le niobium. Pour ce faire, on a optimisé le paramètre de mise en œuvre primordial, qui est la température de forgeage, afin d’obtenir une fine taille de grains à la fin du cycle du traitement réalisé accompagnée d’une densité élevée des pièces forgées. Une série de traitements d’austénisation sur une gamme étendue de température variant entre 900 °C à 1250 °C a été effectuée ce qui nous a permis par la suite de connaître, pour chaque mélange, l’évolution de la taille des grains en fonction de la température d’austénisation. La nouvelle formulation de composition chimique a démontré un impact marqué quant au contrôle de la taille de grains en fonction de la température d’austénitisation. Une étude comparative nous a permis d’identifier la température de forgeage la plus appropriée pour ce type de pièces et de dégager la méthodologie à suivre en fonction des propriétés mécaniques et microstructurales. / Powder forging allows us to achieve a very high densification neighbouring that of full density causing a substantial improvement in final mechanical properties of the parts, particularly the fatigue strength. The approach advocated to improve this critical performance of powder forging parts is to optimize metallurgical characteristics and density simultaneously. In this regard, a novel PM steel powder was developed and characterized. The strategy relied on the utilization of prealloyed microalloying elements such as vanadium and niobium. To do this, we have optimized the primordial parameter of this operation, which is the forging temperature, to obtain a fine grain size at the end of the processing cycle carried out accompanied by a higher density of forged parts. A series of heat treatment over a range of temperature between 900 °C to 1250 °C was performed which allowed us later measure the evolution of grain size between this new alloy and a reference PM steel as a function of the austenitizing temperature. The difference in chemical composition between the two alloys had a fairly significant impact on their final grain size. The comparative study of these two materials allowed us to identify the most appropriate forging temperature for this type of pieces, to determine the most efficient alloy and therefore to identify the methodology to follow according to the mechanical properties and microstructure.

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.

Les moteurs électriques, les transformateurs, les électroaimants et autres appareils électriques nécessitent des matériaux qui sont en mesure de canaliser les lignes de champ magnétique tout en limitant les pertes qu’elles entraînent. Les matériaux utilisés à cet escient sont appelés matériaux magnétiques doux. Un des moyens utilisé pour limiter les pertes dans ces matériaux est d’augmenter leur résistivité. Pour y arriver, on unit des matériaux très résistifs à des matériaux ferromagnétiques. On obtient ainsi des composites magnétiques doux. Depuis plus de 100 ans, le type de composite magnétique doux le plus utilisé consiste en un empilement de tôles de fer laminées séparées par un matériau isolant. Ces matériaux sont très efficaces mais ont leur lot d’inconvénients. Depuis quelques années, une nouvelle technique s’appuyant sur la métallurgie des poudres a été développée. Elle consiste à envelopper des particules de fer d’un matériau isolant et de les compacter. On obtient ainsi un matériau qui peut être très résistif. Ce projet avait pour but de développer un composite magnétique doux à base de poudre métallique dont le matériau isolant serait de la ferrite NiZn nanométrique. Pour y arriver deux techniques ont été étudiées. La première consistait à recouvrir les particules de fer par placage de la ferrite et la seconde consistait à ajouter nanoparticules de ferrite NiZn à la poudre de fer. Les résultats ont permis de constater que les deux techniques pouvaient être utilisées pour le développement de composite magnétiques doux. Plus spécifiquement, on a obtenues des pertes magnétiques de 11,9 W/kg et de 93 W/kg à 60 Hz et 400 Hz respectivement pour les échantillons préparés par placage de la ferrite et de 13,5 W/kg et de 137 W/kg à 60Hz et 400 Hz respectivement pour les échantillons préparés par ajout de nanoparticules. / Electric motors, transformers, electromagnets and many other electric devices require materials that can provide a path for magnetic field lines while minimizing losses that they generate. Materials used for these applications are called soft magnetic materials. One way to minimize losses in such materials is to increase their resistivity. In order to do so, highly resistive materials are coupled with ferromagnetic materials. These are called soft magnetic composites. For more than one hundred years, the most common type of soft magnetic composite was made by stacking sheets of rolled iron separated by a thin layer of insulating materials. These were very simple and efficient but also had their share of drawbacks. During the last decades, a new technique based on powder metallurgy was developed. It consists in coating iron particles with an isolating material prior to compaction. This type of materials can be highly resistive. The objective of this project was to develop a soft magnetic composite using metal powders in which the insulating materials would be nanometric NiZn ferrite. Two different techniques were studied in order to achieve this goal. The first one consists in coating iron powders with NiZn ferrite using ferrite plating and the second one consists adding nanoparticles to iron powder. The results obtained throughout this study showed that these two techniques could certainly be used to develop metal powder based soft magnetic composites. More specifically, magnetic weight losses of 11,9 W/kg and 93 W/kg were obtained at 60 Hz and 400 Hz respectively for components prepared using the ferrite plating technique while losses of 13,5 W/kg and 137 W/kg were obtained at 60 Hz and 400 Hz respectively for components prepared by adding ferrite nanoparticles.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / La fabrication additive (impression 3D) par fusion sélective au laser (FSL) permet de concevoir des pièces de géométries complexes en utilisant une large gamme de poudres métalliques. Cependant, la performance mécanique de ces pièces est affectée par trois facteurs : les porosités, l'anisotropie de la microstructure et les contraintes résiduelles (CR). À ce jour, l'inspection aux ultrasons pour le contrôle immédiat de la qualité des pièces n'a pas fait l'objet d'une étude systématique et complète. Ce projet de recherche a permis de développer des méthodologies aux ultrasons permettant de révéler et de quantifier la présence de défauts dans les pièces métalliques produites par fusion sélective au laser. D'abord, des échantillons d'acier (316L) et de titane (Ti-6Al-4V) de différentes densités, tailles de porosité et orientations granulaires ont été fabriqués en variant la vitesse et l'espacement entre les passes du laser. Ensuite, des échantillons porteurs de différents niveaux de contraintes internes ont été fabriqués en faisant varier la température du lit de déposition. Finalement, tous les échantillons ont été analysés aux ultrasons (vélocité, atténuation et fréquence de référence), ont fait l'objet d'une étude métallographique complète et ont été analysés par rayons X (niveau de CR). Les résultats de ces travaux ont démontré que l'analyse par ultrasons des pièces imprimées par FSL en acier et en titane était possible, et ce avec des fréquences ultrasonores allant de 5 MHz à 20 MHz. L'approche systématique utilisée a permis d'identifier et de quantifier les caractéristiques ultrasonores qui sont modifiées par les défauts métallurgiques présents dans des pièces issues de FSL. De plus, une corrélation a été établie entre les signatures ultrasonores et la masse volumique des échantillons. Cette étude permet de confirmer l'intérêt d'intégrer des pièces étalons issues de la fabrication additive dans le processus d'inspection aux ultrasons de pièces d'acier inoxydable et de titane issues elles aussi de procédés de fabrication additive. / The process of additive manufacturing (3D printing) by selective laser melting (SLM) enables the design of geometrically complex parts from a wide variety of alloys. However, their mechanical performance is impacted by the three following factors: porosity, microstructure anisotropy, and residual stress. Today, ultrasonic inspection for in-situ quality control of 3D-printed parts has not been subject to a systematic and comprehensive study. This project allows the development of a methodology using ultrasounds that reveals and quantifies metallurgic flaws inside parts manufactured by SLM. At first, samples of steel (316L) and titanium (Ti-6Al-4V) were produced by SLM at various densities, pore sizes, and grain orientations. These characteristics were obtained by varying the manufacturing speed and space between each path of the laser. Then, samples with different residual stress levels were produced by varying the build platform temperature. Finally, all the samples were analyzed with ultrasounds (velocity, attenuation, frequency), and were subject to a complete metallographic and X-ray study (residual stress). The results showed that the ultrasonic inspection of steel and titanium SLM parts was possible by using inspection frequencies between 5 MHz and 20 MHz. This systematic method revealed and quantified the ultrasonic characteristics affected by the metallurgic flaws contained in the SLM samples. Correlations between ultrasonic signature and density of samples were revealed. Overall, this study confirms the relevance of preliminary studies with standards made of metal parts produced by additive manufacturing, for the development of ultrasound-based nondestructive inspection procedures adapted to 3D-printed metal parts.