Prepainted metal sheets being environment friendly and cost effective as compared to postpainted metal sheets, are widely used in construction, packaging, transportation and automotive industries. One of the key requirements for prepainted coatings is to retain its surface quality and properties during forming process. During forming process, major surface damage occurs when the coated sheet is bent and un-bent around the die corner. To reduce surface damage of coatings, proper control of the parameters during forming and detail study of the surface conditions is required. In the present study, influence of forming parameters such as die radius, lubrication and specimen material are investigated. The influence of these parameters on friction, surface damage and properties of polymer coatings are evaluated. Experiment set-up is built to conduct bending under tension test. This test gives a better way to evaluate coating performance, as it closely simulates the die region of real forming process and considers bending effects. Experimental results show increase in friction and surface damage with decrease in die radius. Moreover, with decrease in die radius hardness of the coating decreases and strain in the specimen increases. Lubrication has some effect on coefficient of friction, but the influence is not as significant as that of die radius. This is attributed to the fact that, the polymer coating itself acts as a solid lubricant in the test. Material effect was studied, polypropylene coating being the softer material compared to PVDF coating shows more surface damage in the form of scratches. Numerical simulations were performed using Finite Element Analysis package (FEA) Abaqus. A 2D model was built, exploiting the plane strain condition for bending under tension test. Numerical simulations indicate that maximum contact pressure and von Mises stress are concentrated at the beginning of the drawing edge. Apart from the location, the value of contact pressure was higher for smaller die radius. Thus, experiments help in studying the effect of forming parameters on coating performance and numerical simulations provide more insight into the critical areas where stresses are high. Numerical simulations also provide a scope to study the effect of material and geometric parameters on performance of coatings without running experiments.

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Nous avons montré que l'irradiation aux ions d'argon d'énergie comprise entre 1 et 15 MeV cause des dommages en surface du titane et du zirconium, qui prennent la forme d'une oxydation accélérée et/ou d'une cratérisation dont les effets évoluent en fonction de l'énergie du projectile et de l'atmosphère de recuit (température et pression), simulant les conditions environnementales représentatives de l'interface gaine/combustible d'un réacteur REP. Par AFM, nous avons montré que la surface du titane et du zirconium était attaquée par bombardement aux ions d'argon, à haute température (jusqu'à 500°C) en milieu faiblement oxydant (sous pression d'air sec raréfié comprise entre 5,7 10-5 Pa et 5 10-3 Pa) et à une dose moyenne fixée à environ 5 1014 ions.cm-2. On observe ainsi la formation de cratères nanométriques sur toute la surface du titane irradié entre 2 et 9 MeV et celle du zirconium irradié à 4 MeV, dont les caractéristiques varient en fonction de la température et de la pression. Dans le cas du couple Ar/Ti, l'efficacité d'endommagement superficiel augmente lorsque l'énergie du projectile diminue de 9 à 2 MeV. Par ailleurs, alors que la surface du titane apparaît transparente au faisceau d'ions à 15 MeV, celle du zirconium révèle de nombreux cratères micrométriques entourés d'un large halo sombre. Les caractéristiques des cratères (taille et densité superficielle) diffèrent de façon significative de celles observées à la fois dans le domaine des basses énergies (keV) où le dépôt d'énergie est contrôlé par les collisions balistiques (Sn) et dans le domaine des hautes énergies (MeV - GeV) où le dépôt d'énergie est contrôlé par les excitations électroniques (Se), ce qui n'était pas complètement inattendu dans le domaine d'énergie intermédiaire étudié, dans lequel des effets de pouvoir d'arrêt combiné Sn - Se sont envisageables. Par XPS couplé au décapage ionique, nous avons montré qu'il existe un effet d'irradiation sur l'oxydation thermique du titane, exacerbée sous faisceau d'ions d'argon entre 2 et 9 MeV, et qu'il existe aussi un effet d'énergie sur l'épaisseur et la stœchiométrie de l'oxyde. L'étude menée par Ellipsométrie Spectroscopique sur les films d'oxyde formés entre 1 et 9 MeV a corroboré ces résultats et montré précisément qu'il existe un pic d'oxydation en fonction de l'énergie d'ions d'argon, qui présente un maximum à 3 MeV, dans les conditions de l'expérience. Les mesures de gain d'oxygène effectuées par NBS confirment l'existence de ce pic d'oxydation. Les résultats acquis à ce jour par NBS concernant l'oxydation thermique du zirconium sous irradiation à l'argon de 4 et 9 MeV confirment les travaux antérieurs du groupe Aval du Cycle Electronucléaire de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon, et suggèrent fortement l'existence d'un pic d'oxydation dans la même plage d'énergie de projectile que pour le titane.

The effect of in-situ or redistributed stress on solute transport in fractured rocks is one of the major concerns for many subsurface engineering problems. However, it remains poorly understood due to the difficulties in experiments and numerical modeling. The main aim of this thesis is to systematically investigate the influences of stress on solute transport in fractured rocks, at scales of single fractures and fracture networks, respectively. For a single fracture embedded in a porous rock matrix, a closed-form solution was derived for modeling the coupled stress-flow-transport processes without considering damage on the fracture surfaces. Afterwards, a retardation coefficient model was developed to consider the influences of damage of the fracture surfaces during shear processes on the solute sorption. Integrated with particle mechanics models, a numerical procedure was proposed to investigate the effects of gouge generation and microcrack development in the damaged zones of fracture on the solute retardation in single fractures. The results show that fracture aperture changes have a significant influence on the solute concentration distribution and residence time. Under compression, the decreasing matrix porosity can slightly increase the solute concentration. The shear process can increase the solute retardation coefficient by offering more sorption surfaces in the fracture due to gouge generation, microcracking and gouge crushing. To study the stress effects on solute transport in fracture systems, a hybrid approach combing the discrete element method for stress-flow simulations and a particle tracking algorithm for solute transport was developed for two-dimensional irregular discrete fracture network models. Advection, hydrodynamic dispersion and matrix diffusion in single fractures were considered. The particle migration paths were tracked first by following the flowing fluid (advection), and then the hydrodynamic dispersion and matrix diffusion were considered using statistic methods. The numerical results show an important impact of stress on the solute transport, by changing the solute residence time, distribution and travel paths. The equivalent dispersion coefficient is scale dependent in an asymptotic or exponential form without stress applied or under isotropic compression conditions. Matrix diffusion plays a dominant role in solute transport when the hydraulic gradient is small. Outstanding issues and main scientific achievements are also discussed. / QC 20111011

Dans le domaine du forgeage à chaud de pièces aéronautiques, les matrices en acier sont couramment rechargées, sur quelques millimètres d’épaisseur, par un alliage base cobalt (Stellite 21) déposé par procédé de soudage à l’arc (MIG). Dans le cadre de ce travail de thèse, ce rechargement « classique» est comparé à des rechargements Stellite 21 et Stellite 6 déposés par deux procédés émergents dans ce domaine, le PTA et le LASER. L’objectif est d’apporter des éléments de compréhension aux mécanismes d’endommagement de surface, notamment par écoulement plastique, de ces différents rechargements afin de dégager des voies d’amélioration pour augmenter la durée de vie des matrices. Pour cela, des essais tribologiques (semi-industriels et laboratoire) ont été mis en œuvre pour créer des endommagements de surface comparables à ceux observés sur matrices industrielles. Associées à ces essais, des investigations microstructurales, structurales et mécaniques multi-échelles ont été réalisées (traction, flexion, microdureté, MO, MEB, MEB-STEM, DRX, EBSD). Selon les couples « nuance/procédé » de rechargement, des mécanismes de déformation plastique par glissement des dislocations parfaites et par transformation de phase CFC en HC ont été identifiés. L’activation de ce dernier a pu être reliée à la température de transformation allotropique CFC/HC du cobalt. Cette température dépend à la fois (i) des éléments d’addition, variant en fonction de la nuance déposée (Cr, C,...), (ii) de la dilution (variation de la teneur en Fe) liée aux paramètres de soudage et (iii) du nombre de couches déposées. De plus, une influence significative de la transformation de phase sur l’évolution du coefficient de frottement a été mise en évidence. En effet, dans le cas où la transformation de phase n’est pas observée, le coefficient de frottement est stable durant l'essai alors qu'une chute de la courbe de coefficient de frottement a été reliée avec la transformation de phase CFC en HC. Parallèlement, l'écoulement plastique des dendrites est observé en extrême surface sur quelques dizaines de micromètre d'épaisseur dans la direction de glissement. Cet écoulement est associé à une forte texturation morphologique et cristallographique de la phase identifiée (CFC ou HC), avec une orientation des plans de plus grande densité atomique parallèlement à la surface de glissement. Les résultats montrent également que sous sollicitations tribologiques, un important durcissement est observé en surface (jusqu'à 90%) et une corrélation a pu être établie entre l'augmentation de la microdureté et le taux de déformation plastique. / In the field of hot forging of aeronautical parts, the steel dies are commonly hardfaced, on few millimeters thick, by a cobalt-based alloy (Stellite 21) deposited by arc welding (MIG). As part of this thesis, this "classic" hardfacing is compared to Stellite 21 and Stellite 6 hardfacings deposited by two emerging processes in this area, the PTA and the LASER one. The objective is to assess surface damage mechanisms, especially induced by plastic strain, of these various hardfacings. Tribological tests (laboratory and semi-industrial) were used to create surface damage comparable to those observed in industrial dies. Associated with these tests, multiscale microstructural, structural and mechanical investigations have been performed (tensile, bending, microhardness, OM, SEM, STEM, XRD, EBSD). According to the « material/process » couple, plastic strain mechanisms by perfect dislocation glide and by FCC to HCP phase transformation have been identified. The activation of the latter has been connected to the temperature of the allotropic phase transformation (FCC/HCP) in cobalt. This temperature depends on (i) the alloying elements, varying according to the deposited grade (Cr, C, ...), (ii) the dilution (Fe content evolution) connected to the welding parameters and (iii) the number of deposited layer. Moreover, a significant influence of the phase transformation on the evolution of the friction coefficient has been evidenced. Indeed, if the phase transformation is not observed, the friction coefficient is stable during the test, while a drop of the friction coefficient curve is connected with the FCC to HCP phase transformation. Moreover, the plastic flow of dendrites is observed at the extreme surface, on a few tens of micrometres in thickness, in the direction of sliding. It is associated with a high morphologic and crystallographic texturing of the identified phase (FCC or HCP), with the highest atomic density planes mostly oriented parallel to the sliding surface. The results also show that, under tribological laodings, a significant hardening is observed on the surface (up to 90%) and a correlation has been established between the increase in the microhardness and the plastic deformation ratio.