Le traitement de carbonitruration est aujourd'hui un procédé très répandu pour augmenter la résistance mécanique des pièces en acier. Ce type de solution a fait ses preuves dans le cadre de pièces massives, mais l'oxydation interne des couches enrichies reste une limitation conséquente du traitement à pression atmosphérique.C'est dans cette optique scientifique que s'inscrit une partie de cette étude visant le développement d'un traitement de carbonitruration à basse pression, en vue d'une application industrielle. Les nombreuses investigations expérimentales réalisées sur la nuance 16MnCr5 ont permis le développement et la mise au point de deux cycles répondant à deux critères de profondeur de traitement : 0.25 -- 0.4 mm et 0.7 -- 1.2 mm. Les observations métallurgiques ne révèlent aucune forme de précipitation, ce qui n'est pas le cas lorsque que le traitement est appliqué à une nuance métallurgique plus fortement alliée (Fe - 0.18 %C - 3.12 % Cr - 0.7 %V -0.45 %W).D'un point de vue simulation, les outils de calculs thermodynamiques confirment et clarifient les phénomènes de précipitations observés. L'acier plus fortement allié (qui contient initialement des carbures de vanadium de type MC) présente des carbures de types M23C6 et M7C3 ainsi que des carbonitrures de types M (C, N). En complément à la détermination des phases en présence et de leur composition, une modélisation de la diffusion du carbone et de l'azote est proposée. Le modèle utilise des conditions aux limites déterminées expérimentalement, des coefficients de diffusion du carbone et de l'azote interdépendants issus de la littérature. La cinétique de refroidissement au cours de la trempe est déterminée pour alimenter le modèle de calcul de transformation de phases et simuler le profil de dureté. Le couplage des modèles développés donne des résultats très proches des profils de carbone, azote et duretés mesurés expérimentalement.Une autre partie du travail propose l'intégration du traitement de carbonitruration à basse pression au procédé de mise en œuvre MIM (Moulage par Injection de poudres Métalliques) permettant la réalisation des composants de formes complexes. Les pièces " MIM " obtenues par l'exploitation du feedstock commercial PolyMIM 16MnCr5 intégrant un système de liant soluble à l'eau présentent 10 % de porosité. Les résultats métallurgiques observés sur les pièces MIM carbonitrurées consécutivement au palier de frittage sont identiques à ceux observés sur des pièces massives. La comparaison des profils de diffusion en carbone et azote entre les pièces à 10 et20 % de porosité (obtenu par diminution de la durée du pallier de frittage) montre cependant que le taux de porosité influence la profondeur de traitement.

Le traitement de carbonitruration est aujourd'hui un procédé très répandu pour augmenter la résistance mécanique des pièces en acier. Ce type de solution a fait ses preuves dans le cadre de pièces massives, mais l'oxydation interne des couches enrichies reste une limitation conséquente du traitement à pression atmosphérique.C'est dans cette optique scientifique que s'inscrit une partie de cette étude visant le développement d'un traitement de carbonitruration à basse pression, en vue d'une application industrielle. Les nombreuses investigations expérimentales réalisées sur la nuance 16MnCr5 ont permis le développement et la mise au point de deux cycles répondant à deux critères de profondeur de traitement : 0.25 — 0.4 mm et 0.7 — 1.2 mm. Les observations métallurgiques ne révèlent aucune forme de précipitation, ce qui n'est pas le cas lorsque que le traitement est appliqué à une nuance métallurgique plus fortement alliée (Fe - 0.18 %C - 3.12 % Cr - 0.7 %V -0.45 %W).D'un point de vue simulation, les outils de calculs thermodynamiques confirment et clarifient les phénomènes de précipitations observés. L'acier plus fortement allié (qui contient initialement des carbures de vanadium de type MC) présente des carbures de types M23C6 et M7C3 ainsi que des carbonitrures de types M (C, N). En complément à la détermination des phases en présence et de leur composition, une modélisation de la diffusion du carbone et de l'azote est proposée. Le modèle utilise des conditions aux limites déterminées expérimentalement, des coefficients de diffusion du carbone et de l'azote interdépendants issus de la littérature. La cinétique de refroidissement au cours de la trempe est déterminée pour alimenter le modèle de calcul de transformation de phases et simuler le profil de dureté. Le couplage des modèles développés donne des résultats très proches des profils de carbone, azote et duretés mesurés expérimentalement.Une autre partie du travail propose l'intégration du traitement de carbonitruration à basse pression au procédé de mise en œuvre MIM (Moulage par Injection de poudres Métalliques) permettant la réalisation des composants de formes complexes. Les pièces « MIM » obtenues par l'exploitation du feedstock commercial PolyMIM 16MnCr5 intégrant un système de liant soluble à l'eau présentent 10 % de porosité. Les résultats métallurgiques observés sur les pièces MIM carbonitrurées consécutivement au palier de frittage sont identiques à ceux observés sur des pièces massives. La comparaison des profils de diffusion en carbone et azote entre les pièces à 10 et20 % de porosité (obtenu par diminution de la durée du pallier de frittage) montre cependant que le taux de porosité influence la profondeur de traitement. / The carbonitriding treatment is now a widely accepted industrial process to improve the strength of treated steel parts. This type of solution has been proven in the case of massive parts, but internal oxidation of enriched layers remains a significant drawback of the treatment at atmospheric pressure.It is against this scientific backdrop that this project seeks to develop a carbonitriding treatment at low pressure for industrial application. Numerous experimental investigations carried out on the 16MnCr5 steel grade allowed the development of cycles answering two criteria of depth treatment: 0.25 - 0.4 mm 0.7 - 1.2 mm. Metallurgical observations show no form of precipitation, which however is no longer the case when the treatment is applied to a more highly alloyed steel grade (Fe - 0.18% C - 3.12% Cr - 0.7% V -0.45% W).From a simulation point of view, thermodynamic calculations confirm and clarify the precipitation phenomena observed. The more highly alloyed steel (which initially contains vanadium rich carbides of MC type) exhibits carbides of M23C6 and M7C3 type, and carbonitrides of M (C, N) type. To complement the determination of present phases and their composition, it is proposed that the diffusion of carbon and nitrogen be modeled. The model uses experimentally determined boundary conditions, and interdependent nitrogen and carbon taken from the literature. The kinetics of cooling during the quenching is determined to supply the calculation model of phase transformations and simulate the hardness profile. The coupling of developed models gives carbon, nitrogen and hardness profiles very similar to experimentally measured ones.The work also proposes the integration of the low-pressure carbonitriding treatment to the MIM (Metal Injection Moulding) process, allowing the production of complex shapes components. MIM parts obtained from the exploitation of the trade PolyMIM 16MnCr5 feedstock integrating a water-soluble binder system present 10% of porosity. Metallurgical results observed on MIM parts, carbonitrided consecutively to the sintering step are similar to those observed on massive wrought parts. Comparison of carbon and nitrogen profiles of carbonitrided MIM parts containing 10 and 20 % of porosity (obtained by reducing the length of the bearing sintering) shows that the porosity level influences the case depth of MIM parts.

Les turbines aéronautiques et terrestres utilisent comme matériaux de structure les superalliages à base nickel. Ils sont confrontés en utilisation à des environnements agressifs à très hautes températures, conduisant à l'usure et la corrosion, et à des sollicitations mécaniques qui entraînent fatigue et fluage. Pour permettre l'utilisation de ces matériaux dans des conditions toujours plus sévères de fonctionnement et augmenter la durée de vie des pièces, divers traitements de nitruration ont été proposés pour durcir la surface tout en conservant ou en améliorant la tenue mécanique et la résistance chimique. Les modifications induites par la nitruration, leur stabilité et l'influence de la microstructure initiale sont encore mal comprises dans ces matériaux complexes. Au cours de ces travaux, nous avons étudié les effets d'une nitruration assistée plasma en fonction de la microstructure et de la composition chimique des alliages. Différents types de superalliages à base nickel ont été choisis, de microstructures variées, comprenant éventuellement des précipités de type Ni3(Al,Ti,Nb) et/ou Ni3 (Nb). Nous avons alors caractérisé les modifications induites par l'introduction de l'azote dans les matériaux suite à un traitement de nitruration à basse température (400°C) : expansion de la maille, génération de contraintes résiduelles, comportement des précipités, formation de nitrures, plasticité, anisotropies... Les résultats obtenus suggèrent des effets différents selon la composition des précipités. Ces modifications structurales et leurs évolutions ont ensuite été étudiées lors d'un recuit à plus haute température (650°C) afin d'étudier la stabilité des couches formées. / Nickel-based superalloys are commonly used in pressurized water heat exchangers or in the hottest sections of aeroengines or industrial gas turbines, where they are subjected to high temperature and severe mechanical solicitations (fatigue, creep). To allow use of those materials in more and more difficult operating conditions and to improve their duration, different nitriding treatments have been proposed to harden the surface while maintaining or improving their mechanical strength and chemical resistance. However, modifications induced by nitriding, resulting stability in time and influences of the initial microstructure are still poorly understood in these complex materials. In this work, we investigated the behavior of plasma nitriding on superalloys according to their initial microstructure and chemical composition. Thus, different types of Nickel-based superalloys were selected with various microstructures, possibly including precipitates like Ni3(Al, Ti, Nb) and/or Ni3(Nb). Then, we have characterized the modifications induced by nitrogen introduction in the materials after nitriding treatment at low temperature (400°C): lattice expansion, generation of residual stress, precipitates behavior, nitrides formation, plasticity, anisotropy... The results suggest different behaviors depending on the composition of precipitates. Finally, these structural modifications and their evolutions have been studied during an annealing at higher temperature (650°C) in order to study the stability of the nitrided layers.

La modélisation du transport réactif du contaminant en milieu poreux est un problème complexe cumulant les difficultés de la modélisation du transport avec celles de la modélisation de la chimie et surtout du couplage entre les deux. Cette modélisation conduit à un système d'équations aux dérivées partielles et algébriques dont les inconnues sont les quantités d'espèces chimiques. Une approche possible, déjà utilisée par ailleurs, est de choisir la méthode globale DAE : l'utilisation d'une méthode de lignes, correspondant à la discrétisation en espace seulement, conduit à un système différentiel algébrique (DAE) qui doit être résolu par un solveur adapté. Dans notre cas, on utilise le solveur IDA de Sundials qui s'appuie sur une méthode implicite, à ordre et pas variables, et qui requiert à chaque pas de temps la résolution d'un grand système non linéaire associé à une matrice jacobienne. Cette méthode est implémentée dans un logiciel qui s'appelle GRT3D (Transport Réactif Global en 3D). Le présent travail présente une amélioration de la méthode GDAE, du point de vue de la performance, de la stabilité et de la robustesse. Nous avons ainsi enrichi les possibilités de GRT3D, par la prise en compte complète des équations de précipitation-dissolution permettant l'apparition ou la disparition d'une espèce précipitée. En complément de l'étude de la méthode GDAE, nous présentons aussi une méthode séquentielle non itérative (SNIA), qui est une méthode basée sur le schéma d'Euler explicite : à chaque pas de temps, on résout explicitement l'équation de transport et on utilise ces calculs comme données pour le système chimique, résolu dans chaque maille de façon indépendante. Nous présentons aussi une comparaison entre cette méthode et l'approche GDAE. Des résultats numériques pour deux cas tests, celui proposé par l'ANDRA (cas-test 2D) d'une part, celui proposé par le groupe MoMas (Benchmark "easy case") d'autre part, sont enfin présentés, commentés et analysés.

L’endommagement de fluage des aciers 316L(N) a été étudié expérimentalement et théoriquement à des températures élevées et des temps à rupture jusqu'à dix-neuf ans. Pour le fluage à court terme, les durées de vie sont correctement prédites par le modèle de striction en tenant compte de la dispersion expérimentale. Le modèle de Riedel couplant croissance de cavités par diffusion lacunaire et germination continue est utilisé afin de prédire l’effet de l’endommagement intergranulaire sur la durée de vie des aciers 316L(N). Les durées de vie sont correctement prédites par ce modèle pour le fluage à long terme quelle que soit l'acier austénitique étudié et la température appliquée (525°C-700°C). En tenant compte du régime de vitesse basse contrainte de la loi de Norton, le modèle de Riedel permet de prédire la durée de vie de fluage jusqu'à 25 ans. Aucun paramètre ajusté n’a été utilisé dans le modèle de Riedel. Mais le taux de nucléation de cavités doit être déduit des mesures de densité de cavités à partir des observations MEB-FEG. La cavitation se produit principalement aux interfaces carbures M23C6 /matrice austénitique. L'effet de l'hétérogénéité de la microstructure sur les concentrations de contraintes à l’interface matrice/précipité est simulé par la méthode des éléments finis (logiciel Cast3M). Elle vise à déterminer la distribution des champs de contraintes normales autour de précipités et à prédire numériquement le taux de nucléation de cavités. Les caractéristiques des précipités et le comportement en fluage de la matrice austénitique sont conjointement pris en compte. Les simulations numériques sont en accord avec les observations de sites préférentiels de micro-cavitation. / The creep fracture of 316L(N) austenitic SSs has been studied both experimentally and theoretically for high temperatures and lifetimes up to nineteen years. For short term creep, experimental lifetimes are predicted by the necking model taking into account scatter in input parameters. The Riedel modeling of cavity growth by vacancy diffusion along grain boundaries coupled with continuous nucleation is then carried out. Lifetimes are predicted fairly well using this model for long term creep failure whatever the considered austenitic SSs and the applied temperature (525°C - 700°C). Taking into account low and high stress regimes of the Norton-power law, the Riedel model allows us to predict the creep lifetimes in agreement with literature results up to 25 years. No fitted parameter has been used as applying the Riedel model. But the cavity nucleation rate should be deduced from cavity density measurements using FEG-SEM observations. The intergranular cavitation occurs mainly at M23C6 carbides / austenitic matrix interfaces. That is why the effect of the heterogeneity of the microstructure at the matrix/precipitate interface stress concentrations is simulated by the finite element method (Cast3M software). It aims to determine the distribution of normal stress fields around precipitates and to predict the cavity nucleation rate. The features of the precipitates and the creep behavior of the austenitic matrix are both taking into account. Numerical simulations are in agreement with the observations of preferential sites cavitation.

La modélisation du transport réactif du contaminant en milieu poreux est un problème complexe cumulant les difficultés de la modélisation du transport avec celles de la modélisation de la chimie et surtout du couplage entre les deux. Cette modélisation conduit à un système d'équations aux dérivées partielles et algébriques dont les inconnues sont les quantités d'espèces chimiques. Une approche possible, déjà utilisée par ailleurs, est de choisir la méthode globale DAE : l'utilisation d'une méthode de lignes, correspondant à la discrétisation en espace seulement, conduit à un système différentiel algébrique (DAE) qui doit être résolu par un solveur adapté. Dans notre cas, on utilise le solveur IDA de Sundials qui s'appuie sur une méthode implicite, à ordre et pas variables, et qui requiert à chaque pas de temps la résolution d'un grand système non linéaire associé à une matrice jacobienne. Cette méthode est implémentée dans un logiciel qui s'appelle GRT3D (Transport Réactif Global en 3D). Le présent travail présente une amélioration de la méthode GDAE, du point de vue de la performance, de la stabilité et de la robustesse. Nous avons ainsi enrichi les possibilités de GRT3D, par la prise en compte complète des équations de précipitation-dissolution permettant l'apparition ou la disparition d'une espèce précipitée. En complément de l'étude de la méthode GDAE, nous présentons aussi une méthode séquentielle non itérative (SNIA), qui est une méthode basée sur le schéma d'Euler explicite : à chaque pas de temps, on résout explicitement l'équation de transport et on utilise ces calculs comme données pour le système chimique, résolu dans chaque maille de façon indépendante. Nous présentons aussi une comparaison entre cette méthode et l'approche GDAE. Des résultats numériques pour deux cas tests, celui proposé par l'ANDRA (cas-test 2D) d'une part, celui proposé par le groupe MoMas (Benchmark "easy case") d'autre part, sont enfin présentés, commentés et analysés. / Modeling reactive transport of contaminants in porous media is a complex problem combining the difficulties of modeling the trasport with those of modeling the chemistry and especially the coupling between the two .This model leads to a system of partial differential equations and algebraic equations whose unknowns are the quantities of chemical species. One approach , already used elsewhere , is choosing the global DAE method : using the method of lines, discretization in space only, leads to a differential algebraic system (DAE ) to be solved by a suitable solver . In our case , the solver IDA Sundials relies on an implicit method, order is used but not variables, and requires at each time solving a large nonlinear system associated with a Jacobian matrix . This method is implemented in a software called GRT3D (Global Reactive Transport in 3D). This paper presents an improved GDAE method , from the standpoint of performance, the stability and robustness. We have enriched the possibilities of GRT3D , by taking full account of the equations of dissolution – precipitation for the appearance or disappearance of precipitated species. In addition to the study of the GDAE method, we also present a non-iterative sequential method ( SNIA ) which is a method based on the explicit Euler scheme : at each time step, we explicitly solve the transport equation and we use these calculations as data for the chemical system which is resolved in each cell independently. We also present a comparison between this method and GDAE approach . Numerical results for two test cases , one proposed by ANDRA ( 2D test case ) on one hand and one proposed by the group MOMAS ( Benchmark "easy case" ) on the other hand, are finally presented , discussed and analyzed.