Comportement mécanique de structures multicouches obtenues par co-laminage de tôles nanostructurées : essais et simulation

par Laurent Waltz

Thèse de doctorat en Systèmes mécaniques et matériaux

Sous la direction de Delphine Retraint et de Arjen Roos.

Soutenue en 2009

à Troyes , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube) .

mots clés

• Traitements de surface
• Déformations (mécanique)
• Recristallisation (métallurgie)
• Cuivre
• Nanoindentation
• Microstructure (physique)
• Acier inoxydable

Résumé

De nombreuses études ont montré que les matériaux métalliques à grains nanométriques présentent des propriétés physiques, mécaniques et chimiques très souvent supérieures à celles de leurs homologues à taille de grains miscroscopique. Différentes technologiques de nanostructuration exploisant des principes physiques bien distincts ont vu le jour. Dans le cadre de cette thèse, la technique de nanocristallisation superficielle SMAT a été employée pour la génération d'une couche nanocristalline sur un acier inoxydable X2CrNiMo17-12-2 ainsi que sur un cuivre pur. Il a été montré que ce procédé permet d'atteindre un niveau de raffinement microstructural exceptionnel dans les couches superficielles des matériaux étudiés, et que ce dernier a pour effet une améioration de la tenue mécanique des matériaux SMATés. Un nouveau procédé a été proposé permettant d'augmenter la fraciton volumique des nanograins au sein du matériau, et ainsi améliorer sa tenue mécanique. Ce procédé, qualifié de procédé duplex, s'appuie à la fois sur le SMAT pour la nanocristallisation des matériaux, et sur le procédé de co-laminage pour générer une jonction entre les différentes tôles d'un empilement. Ainsi, des structures multicouches à haut niveau de nanocristallisation et à haute résistance mécanique sont obtenues. Ces tructures multicouches ont été caractérisées à travers divers essais mécaniques et une étude microstructurale fine. Un modèle éléments finis d'un acier inoxydable SMATé a également été développé

Titre traduit

Mechanical behaviour of multilayer structures obtained by co-rolling of nanostructured sheets : experimental investigation and simulation

Résumé

Many studies have shown that metallic materials with a grain size in the nanometer range exhibit enhanced physical, mechanical and chemical properties in comparison with their coarse grained counterparts. Several nanocristallisation techniques exploiting different physical principles have emerged. In this thesis, the surface nanocrystallisation technique SMAT has been used for the generation of nanocrystalline layers in 316L stainless steel and in pure copper. It has been shown that the SMA-Treatment achieves an unusual grain refinement in the surface layers of the treated materials, and leads to a considrable improvement of their mechanical behaviour. A new method has been proposed to increase the volume fraction of nanograins within the material, thus improving its mechanical strength. This so-called duplex process is a combination of the SMAT for the nanocrystallisation of the materials and the co-rolling process to produce a junction between the different sheets of a stack of MATed sheets. Thus, multilayer structures with increased volume fraction of nanograins and high mechanical strength are obtained. The corolled samples have been characterised through various mechanical tests and a careful microstructural study. A finite element model of a SMATed stainless steel has also been developed