Apport de la fabrication additive pour la compréhension de la compétition défauts/microstructure sur le comportement en fatigue de l'acier inoxydable 316L

Contribution of additive manufacturing to the understanding of defect/microstructure competition on the fatigue behavior of 316L stainless steel

• Auteur / Autrice : Hugo Roirand
• Direction : Nicolas Saintier, Anis Hor, Benoît Malard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 29/03/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux - Institut de Mécanique et d'Ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Poquillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Saintier, Anis Hor, Benoît Malard, Habibou Maitournam, Henry Proudhon, Gwenaelle PROUST, Franck Morel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Habibou Maitournam, Henry Proudhon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier -- Fatigue

Prototypage rapide

Dissertation universitaire

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Microstructure

Fatigue

Fabrication additive

Grands instruments

Modélisation multi-Échelle

Acier 316L

Microstructure

Fatigue

Additive manufacturing

Synchrotron and neutron diffraction

Multi-Scale modeling

316L stainless steel

Résumé

La fabrication additive métallique, et plus particulièrement le procédé de fusion laser sur lit de poudre (LPBF), est de plus en plus répandu dans le milieu industriel. La compréhension de l'impact de ce procédé sur la microstructure et les propriétés des alliages est primordiale pour l’optimisation des propriétés en service des pièces LPBF. D’un point de vue scientifique, les possibilités de contrôle microstructural offertes par ce procédé sont une opportunité pour l’étude de la contribution des différentes échelles de la microstructure au comportement en fatigue des métaux.Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à la compréhension de l'effet des différents constituants de la microstructure induite par le procédé LPBF sur le comportement en fatigue de l'acier 316L. Cette étude peut être divisée en deux volets majeurs. Le premier concerne l’étude du lien procédé-microstructure. L’effet des paramètres procédés sur les populations de défauts et la microstructure polycristalline a été investigué. De plus, cette étude a été complétée par une analyse de l'effet des traitements thermiques sur la microstructure à plusieurs échelles. Les résultats de ce premier volet ont permis de sélectionner des lots d’éprouvettes de fatigue à populations de défauts et microstructures contrôlées.Le second volet a été consacré à l’analyse multi-échelle de l’influence de la microstructure sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles. L'impact des spécificités microstructurales dues au procédé LPBF a particulièrement été investigué via les lots d’éprouvettes sélectionnés. De plus, une approche originale basée sur l'utilisation de la diffraction de neutrons couplée avec des modèles numériques basés sur une modélisation explicite de la microstructure et une loi de plasticité cristalline, a permis d’étendre l’étude du comportement macroscopique à l'analyse du comportement micromécanique de l'acier 316L LPBF.

Metal additive manufacturing, and more specifically the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process, is becoming more and more widespread in the industrial environment. The understanding of the impact of this process on the microstructure and properties of alloys is essential for the optimization of the in-service properties of LPBF parts. From a scientific point of view, the possibilities of microstructural control offered by this process are an opportunity to study the contribution of the different length scales of the microstructure to the fatigue behavior of metals.The work presented in this thesis is devoted to the understanding of the effect of the different microstructure components induced by the LPBF process on the fatigue behavior of 316L stainless steel. This study can be divided into two major parts. The first one concerns the study of the process-microstructure link. The effect of the process parameters on the defect populations and the polycrystalline microstructure was investigated. Moreover, this study was completed by an analysis of the effect of heat treatments on the microstructure at several length scales. The results of this first part allowed the selection of fatigue specimens with controlled defect population and microstructure.The second part was devoted to the multi-scale analysis of the influence of the microstructure on the high cycle fatigue behavior. The impact of microstructural specificities due to the LPBF process was particularly investigated using the previously selected specimens. Moreover, an original approach based on the use of neutron diffraction coupled with numerical models based on an explicit modeling of the microstructure and a crystalline plasticity law, allowed to extend the study of the macroscopic behavior to the analysis of the micromechanical behavior of the 316L LPBF stainless steel.