Cécile Langlade

This study focuses on the effects of a surface mechanical attrition treatment on the structural and mechanical behavior of arc-sprayed Ni–Cr coatings deposited on steel substrates. The surface of the as-sprayed and SMATed coatings was characterized by X-ray diffraction, Scanning Electron Microscopy, and non-contact profilometry. The coating porosity was evaluated by using image analysis software. The residual stresses were determined using X-ray diffraction with the sin²ψ. Indentation tests were carried out on the cross sections of the different coatings to evaluate their hardness. The wear properties of the coatings were assessed using a pin-on-disk tester at ambient temperature without lubrication. The results showed that surface mechanical attrition treatment (SMAT) induced a grain refinement on the coating surface due to severe plastic deformation, which was associated with a significant improvement of the mechanical properties.

Superficial nanostructuration by friction stir processing (FSP) experiments has been carried out on samples of AISI 45 steel. Sixteen tests were carried out, with a traverse speed in the range of 10–70 mm/min and 900–1800 N for the normal force at a constant rotational speed of 2000 rpm, in order to determine the optimal conditions for the process applied to this material and to test its feasibility. The results obtained have shown that FSP in this range of parameters leads to the formation of a stirred layer of small grains (30 times smaller than the initial grains) with high hardness (approximately doubled). When the load is higher than 1500 N and the traverse speed is superior to 50 mm/min, a white layer (WL) with very high hardness can be produced. It has also been determined that the increase of the stirred layers’ thickness is almost linked to the increase of the normal force.

Les lois de comportement sont le reflet des propriétés mécaniques d’un matériau et sont aussi des données d’entrée indispensables pour les logiciels de simulation par éléments finis. Pour pouvoir identifier le comportement d’un matériau, il existe plusieurs méthodes (traction statique, barres Hopkinson...) mais la plupart de ces essais sont couteux et exigent des dimensions spécifiques d’éprouvettes. L’objectif de cette étude est de développer une méthode qui permet d’avoir une approche rapide de la loi de comportement du matériau à partir d’essais de micro impact. Cette méthode est capable d’identifier la courbe contrainte-déformation des matériaux en compression et à grande vitesse de déformation. Dans une première partie le dispositif expérimental de micro-impact et le modèle numérique sont présentés puis la méthode inverse utilisée est détaillée. Pour réaliser la comparaison à la base de la méthode inverse, une simulation numérique par éléments finis des impacts répétés a été réalisée et une base de données a été développée à partir de très nombreuses simulations avec plusieurs paramètres K et n de la loi de comportement de type Hollomon « σ = K ε n ». En se basant sur ces résultats de simulations, une méthode inverse a été développée pour déterminer une loi de comportement par comparaison entre les résultats des forces et des rayons obtenus par simulation numérique à partir d’un modèle FEM des impacts et les valeurs expérimentales. La validation de cette méthode a été effectuée tout d’abord à l’aide d’essais purement numériques sur des matériaux virtuels possédant différentes lois de comportement réelles ou idéales, de type Hollomon ou non. Ensuite des applications sur des matériaux virtuels et industriels sont présentées. As constitutive laws reflect the mechanical properties of materials, they are an essential input for Finite Element Modelling software. In order to identify the behaviour of material, several techniques such as static tensile test, Hopkinson bars...can be used. However most of them tend to be expensive and require specific sample geometries. The objective of this study is to develop a method that provides a quick approach to the constitutive law of metals using micro-impact tests. This method is able to identify the stress-strain curve of material in compression and under high strain rate. In the first part, the experimental micro-impact device and the numerical model are presented then the inverse method is detailed. To launch the inverse method, a numerical finite element simulation of repeated impacts was created and a database has been developed from tens of simulations with several values of K and n parameters of the Hollomon constitutive law “σ = K ε n ”. Based on these simulation results an inverse method was developed to identify a constitutive law by the comparison between the numerical (database) and experimental results of radius and loads. The first step of the method validation was performed using purely numerical tests on virtual materials with real and perfect constitutive laws, following a Hollomon model or not. Then, applications on virtual and industrial materials are presented.