Littérature scientifique sur le sujet « Déformation résiduelles »

Le but de cette étude rétrospective est d'évaluer l'efficacité du fixateur externe circulaire appliqué suivant les principes d'Ilisarov dans le traitement de pseudarthroses diaphysaires. Notre taux de consolidation obtenu est de 91%. Les complications relatives au traitement chirurgical et les raisons de nos échecs ont été analysées. De janvier 1986 à février 1996, 23 patients ont été inclus dans cette étude avec un suivi moyen de 65 mois. La période de fixation externe a été de 209 jours en moyenne. 21 patients ont obtenu une consolidation. Les échecs ont été attribués à un contact interfragmentaire inadéquat. Le problème principal en cours de traitement a été l'infection le long du trajet des broches du fixateur. Les complications tardives sont représentées par des déformations axiales résiduelles après correction, les refractures et les raideurs articulaires à proximité du site de pseudarthrose. Le fixateur externe circulaire demeure utile dans le traitement des pseudarthroses diaphysaires, en particulier celles compliquées par une infection ou un raccourcissement posttraumatique.

Ce projet de thèse s’inscrit dans le cadre du FUI « MicroConnect », porté par la société Axon’Cable, dont l’objectif principal, est la conception et le développement d’un procédé de mise en forme automatisé, permettant d’élaborer un nouveau type de connecteurs twist-pin novateurs et très performants. Ces connecteurs, robustes, répondent aux exigences d’environnements sévères et trouvent leurs applications dans de nombreux domaines tels que l'électronique aéronautique, les équipements avioniques, les systèmes militaires... L’un des éléments essentiels des connecteurs est le contact, qui permet de faire transiter le courant électrique d’un système à un autre. Chaque connecteur peut compter des dizaines, voire des centaines de contacts.De par l’enchaînement des procédés utilisés pour concevoir ces contacts, les propriétés électriques et mécaniques initiales peuvent être modifiées. L’utilisation de la simulation numérique s’avère donc indispensable pour maitriser l’influence de ces procédés sur le produit final. La démarche adoptée dans ce travail a consisté à modéliser numériquement les différentes étapes de fabrication des contacts (pliage, soudage laser et sertissage) avec le logiciel Abaqus afin de déterminer les contraintes résiduelles issues de ces différents procédés de mise en forme. Les modèles sont validés en les confrontant à des investigations expérimentales réalisées. Pour finir, une optimisation du sertissage a été réalisée pour mettre en évidence les configurations géométriques des outillages permettant au produit développé de répondre aux essais d’arrachement prévus par les normes de validation imposées
This PhD thesis is part of the FUI "MicroConnect" project, carried out by Axon'Cable Group, whose main objective is the design and development of an automated forming process to manufacture a new type of innovative and high-performance twist-pin connectors. These connectors are used in many fields such as aeronautical electronics, avionics, military systems because of their strength and their hability to be used in very demanding environments... An essential element of the connectors is the contact, as it makes the transfer of the electric current from a system to another. Each connector can have tens or even hundreds.Due to the sequence of the processes used to produce these contacts, their initial properties can be modified. The use of numerical simulation is therefore essential to master the influence of these processes on the final product. The approach adopted in this work consisted in modelling the different steps of the contact fabrication (bending, laser welding and crimping) on the Abaqus software in order to determine the residual stresses resulting from these operations. These models are validated by comparing them with experimental investigations carried out. Finally, an optimization of the crimping is done to highlight the geometrical configurations of the tools allowing the developed product to respond to the tearing tests provided by the validation standards

La défaillance des pièces mécaniques est très souvent initiée par un défaut de surface. Par conséquent, la génération de contraintes résiduelles compressives sur des pièces mécaniques via une déformation plastique hétérogène améliore la tenue en fatigue et augmente la durée de vie des pièces. Parmi les procédés permettant d'introduire des contraintes résiduelles dans les pièces, le traitement par choc laser est plus intéressant à plusieurs titres. D'une part, il permet de produire des pressions en surface du matériau de l'ordre de 1 à 6 GPa sur de courtes durées d'impulsion allant de 3 à 30 nanosecondes. D'autre part, il offre la possibilité d'introduire des contraintes résiduelles de compression sur une certaine profondeur tout en conservant l'état initial de la pièce traitée. Ainsi, les simulations numériques par réalisation de modèles simples permettent de cerner les physiques mises en jeux. Dans cette perspective, la méthode semi-analytique offre d'énormes avantages, notamment la simplicité des modèles et la réduction des temps de calcul. Cependant, cette méthode n’a jamais été étendue aux problème dynamiques. Dans cette thèse la méthode semi-analytique a été étendue aux problèmes dynamiques et le modèle mis en place été appliqué pour la simulation du procédé de choc Laser
The failure of the mechanical parts is very often initiated by a surface defects. Consequently, the generation of compressive residual stresses on mechanical parts by introducing a heterogeneous plastic strain improves the resistance to fatigue and increases the lifetime of the parts. Among the processes making it possible to introduce residual stresses into the parts, the laser shock peening is more interesting for several reasons. On the one hand, it makes it possible to produce pressures on the surface of material of about 1 to 6 going GPa over short pulse times from 3 to 30 nanoseconds. In addition, he gives the opportunity of introducing residual stresses of compression on a certain depth while preserving the initial state of the treated part. The numerical simulation becomes necessary to determine the best physical phenomena involved. Thus, the semi-analytical method offers a lot of advantages, in particular the simplicity of the models and the computation times saving. This method was never extended to the dynamic problems. In this thesis the semi-analytical method was extended to the dynamic problems and the model implemented is applied for the simulation of the Laser process of shock

Le travail qui suit est divisé en trois grandes parties. Premièrement, lorsque nous souhaitons réaliser des études à des échelles plus petites telles que l’échelle micrométrique, nous devons non seulement utiliser un moyen d’observation plus complexe, tel que le microscope électronique à balayage «MEB-FEG» pour obtenir des images exploitables en métrologie optique, mais aussi avoir un marquage (mouchetis) à ces échelles.Actuellement, la corrélation d’images numériques est la technique de mesure de champs cinématique la plus utilisée pour étudier le comportement mécanique des matériaux et des structures sur une zone d’intérêt allant de l’échelle du mètre à l’échelle millimétrique. Ces derniers peuvent être obtenus par diverses techniques comme par exemple en utilisant le Dual-Beam «FIB».Pour la démarche scientifique adoptée nous avons commencé par développer un mouchetis artificiel, avec une profondeur de gravure de l’ordre de 100 nanomètres. Nous nous sommes appuyés également sur des outils statistiques tels que la gamme des niveaux de gris, l’auto corrélation, le nombre de passes et la variation de grossissement qui s’avèrent nécessaires pour valider le marquage et avoir de meilleurs résultats. Ceci a constitué la première partie de cette thèse.Dans la seconde partie, la méthode DIC a été adoptée en utilisant un microscope électronique à balayage (MEB) et un marquage réalisé grâce à un faisceau d’ions focalisés (FIB). Afin de construire une solution métrologique maîtrisée et fiable pour observer et quantifier les mouvements et les déformations de la matière à ces échelles, différents essais ont été réalisés sur deux métaux différents, à savoir, l’Acier 3041 et l’Inconel 718, et ce pour s’assurer de la répétabilité et de la reproductibilité de la procédure.Dans ces essais, nous avons proposé de calculer les déplacements horizontaux et verticaux ainsi que l’erreur liée à ces déplacements. La même démarche a été menée sur les champs de déformations. Différents résultats ont été obtenus en fonction de la variation de l’écart type trouvé dans les données acquises permettant de quantifier les erreurs de mesure ainsi que la répétabilité et la dérive dans le temps.La dernière partie du travail proposé porte sur l’adaptation des méthodes de mesure aux mécanismes particuliers de déformation à ces échelles, comme la localisation de fractures et l’endommagement.Pour étudier le comportement mécanique et prendre en compte les fractures locales, nous avons procédé à l’extraction des déformations d’un matériau fracturé à l’aide d’une méthode de mesure de champ de déplacement.L’approche proposée consistait à extraire les déformations résiduelles des premiers gradients locaux de HDIC les moins perturbés par la fracture. Différents tests ont été effectués pour évaluer la validité de cette nouvelle approche proposée.Une application pour étudier le comportement mécanique d’un composite métallique (Al /ω-Al-Cu-Fe) a été proposée. Une exploitation particulière de tous les champs réside dans la bonne séparation des champs de déformation et de la partie fissurée.Une discussion sur la comparaison entre une analyse DIC conventionnelle et son extension a été présentée sur les zones avec et sans fractures
This work is divided into three main parts. Initially, in order to order to carry out our studies at smaller scales such as micrometric scale, we must not only use a more complex means of observation, for example, scanning electron microscope "MEB-FEG" to obtain images usable in metrology optical, but also have to mark (speckle) on these scales. More recently, digital image correlation is the most widely used kinematic field measurement technique to study the mechanical behavior of materials and structures over an area of interest ranging from the meter scale to the millimeter one. This can be obtained by using a dual-focused ion beam technique. Furthermore, we have adopted a scientific approach by first developing an artificial speckle, with an engraving depth of the order of 100 nanometers. We also relied on statistical tools such as the range of gray levels, autocorrelation, the number of passes and the variation of magnification, which were necessary to validate the marking and to generate better results.In the second part, we coupled the DIC by utilizing the scanning electron microscope and the focused ion beam as the labelling techniques. In order to build a controlled and reliable metrological solution to observe and quantify the movements and deformations of matter at these scales. Several tests have been carried out on two metals ; Steel 304l and Inconel 718, toensure the repeatability and reproducibility of the procedure. In these tests, we proposed to calculate the horizontal and vertical displacements as well as the error related to these displacements.We demonstrate the same approach on the deformation fields. Different results have been obtained depending on the variation of the standard deviation found in the acquired data making it possible to quantify measurement errors as well as repeatability and drift over time.The last part of the proposed work is about the adaptation of measurement methods to the particular mechanisms of deformation at different scales, such as the location of fractures and damage. To study mechanical behavior and taking into account local fractures, we extract the deformations of a fractured material using a displacement field measurement method. The proposed approach consists of extracting the residual deformations of the first local gradients of H-DIC, the least disturbed by the fractures. Various tests have been carried out to assess the validity of this proposed new approach. An application to study the mechanical behavior of a metallic composite (Al / ω -Al-Cu-Fe) is proposed. Particular exploitation of all the fields lies in the good separation of the deformation fields and the cracked part. A discussion on the comparison between a conventional DIC analysis and its extension is presented on the zones without and with fractures

La formation d'une couche d'oxyde thermique sur un métal entraîne l'apparition d'une déformation spécifique liée à la croissance de l'oxyde. Nous considérons que cette déformation est proportionnelle à l'épaisseur de la couche d'oxyde. Nous avons analysé les contraintes de « croissance » associées, dans les oxydes se développant sur des substrats de nickel, de fer et enfin de fer phosphaté. L'oxydation des deux premiers métaux est parabolique. En revanche, l'oxydation du fer phosphaté montre plusieurs caractéristiques. Des analyses menées par Diffraction des Rayons X (évolution des pourcentages de phases) ont montré que le film de phosphate se comportait comme une barrière de diffusion. La mesure des contraintes dans les oxydes a été réalisée in-situ par thermodiffraction avec l'apport du Rayonnement Synchrotron. Enfin, la modélisation de l'évolution des contraintes dans les systèmes oxydes thermiques sur métal nous a permis de reproduire qualitativement les résultats expérimentaux.

Dans l’industrie nucléaire, différents composants des réacteurs à eau pressurisée sont soudés par le procédé TIG (Tungsten Inert Gas). Pour obtenir une résistance à la corrosion et une tenue en service suffisante, ces pièces sont réalisées en alliage base nickel NY690. La compréhension des phénomènes physiques impliqués durant le soudage est nécessaire afin de connaître l’évolution de la microstructure et leur influence sur le comportement mécanique. Pour améliorer la qualité des produits soudés, il est crucial de déterminer les contraintes résiduelles après soudage ce qui implique de connaître le comportement mécanique de l’alliage NY690. En effet, le soudage de ces pièces massives dont l’épaisseur est comprise entre 50 et 250 mm nécessite un grand nombre de passes et donc grand nombre de cycles thermo-mécaniques. Pour reproduire ces chargements complexes se produisant dans la zone affectée thermiquement, des essais mécaniques ont été réalisés en utilisant la machine Gleeble 3500 et une machine de traction/torsion MTS-809. Des essais de traction et des essais cycliques ont été réalisés pour différents états microstructuraux à température ambiante et à 750°C. Plus précisément, l’influence de la taille de grain et de la présence des carbures de chrome sur le comportement mécanique a été étudiée dans le but de déterminer les paramètres à prendre en compte pour modéliser le comportement mécanique. Le comportement mécanique en chargement monotone a ensuite été modélisé en fonction de la température et de la vitesse de déformation en utilisant le formalisme de Kocks-Mecking-Estrin. Ce modèle ensuite été implémenté sous Sysweld pour simuler des expériences de soudage
Mechanical behavior of nickel alloy 690 (NY690) is characterized from 25°C to 1100°C and for a strain rate ranging from 10-4 to 5×10-3s-1. The effects of chromium carbides and grain size (50-150 µm) on the tensile properties of NY690, were studied at 25°C and 750°C. Chromium carbides have negligible influence on the yield stress and on the strain hardening whereas the grain size slightly decreases the yield stress and the hardening rate at room temperature. The grain size has little influence on the strain-hardening but increases the steady-state stress. The dislocation density is the major microstructural parameter governing the mechanical behavior of the alloy for the studied experimental conditions. The Kocks-Mecking-Estrin formalism is adapted to a wide range of temperature and strain rate to predict the mechanical behavior

Le zirconium et ses alliages, de structure hexagonale, présentent une forte anisotropie plastique et une grande variété de modes de déformation. Ces propriétés sont responsables de l’apparition de déformations élastiques d’ordre II et par conséquent de contraintes internes, qui assurent la compatibilité des déformations entre grains adjacents lors de sollicitations mécaniques. Nous avons étudié le comportement de ces alliages dans le cadre des grandes déformations pour deux procédés : le laminage à froid de tôles de Zy-4 et le laminage à pas de pèlerin de tubes en alliage de zirconium M5. Des analyses par diffraction des rayons X ont permis de déterminer l’évolution de la texture ainsi que des contraintes résiduelles des matériaux en fonction du taux de déformation macroscopique. Le modèle autocohérent élastoplastique a été utilisé pour prédire l’état mécanique aux différentes échelles du matériau. Le modèle a été développé pour le cas des grandes déformations avec une nouvelle formulation de la plasticité cristalline. L’influence et le rôle de l’anisotropie élastoplastique ont pu être également analysés et expliqués. Les simulations ont permis de reproduire la texture expérimentale quelque soit le procédé étudié. Elles ont également pu délimiter les contributions des contraintes du premier et du second ordre sur les valeurs déduites de la DRX. Cette étude montre également que le glissement prismatique est le mode de déformation principal de ces alliages en grandes déformations
Zirconium and its alloys are hexagonal close packed materials which present high plastic anisotropy and a variety of active deformation modes. As a consequence of these properties, second-order strains (and stresses) are generated during a plastic forming process between the grains having different crystallographic orientation. The mechanical behaviour of these alloys has been studied in the large strain framework for two cases: cold rolled Zy-4 plates and cold pilgering M5 zirconium alloy cladding tubes. Using X-ray diffraction technique, we have determined the residual stresses and crystallographic texture evolutions for different total strains. The elastoplastic self-consistent model was used to predict the mechanical state at the different scales. This model was developed to large deformations. A new formulation of the crystal plasticity has been proposed. The influence and the role of elastoplastic anisotropy have also been studied and explained in this work. A good agreement has been found between experimental and predicted crystallographic textures. The contribution and the magnitude of the first as well as the second-order residual stresses have been correctly evaluated from the measured strain. The prismatic slip is the most active deformation mode in these alloys at large strains

La nitruration des aciers est un traitement thermochimique très utilisé dans l'aéronautique. Il est connu pour améliorer la tenue en fatigue des composants mécaniques. Il est basé sur la diffusion de l'azote en surface des pièces traitées. Des mécanismes complexes sont alors mis en jeu et provoquent la naissance de contraintes internes et de déformations dites "résiduelles" des pièces traitées. Suivant leur géométrie, les pièces peuvent se déformer de plusieurs millimètres, et être soumises à des contraintes internes de traction-compression importantes. L'objectif de ce travail est de proposer une modélisation multi-physiques du traitement de nitruration permettant de prédire, pour n'importe quelle géométrie de pièce, les contraintes résiduelles et les déformations qu'elles subiront lors du traitement. Ces informations, précieuses aux ingénieurs, permettront de mieux maîtriser, et donc d'optimiser les processus de dimensionnement et de fabrication des pièces nitrurées
Nitriding of steel is a thermo-chemical treatment well known to improve the mechanical properties of the material. It is based on the diffusion of nitrogen into the surface of treated parts. Complex phenomena are then involved and generate residual stresses and distortions. Depending on their geometry, parts can be distorted up to several millimeters and be subject to significant internal tensile-compression stresses. The aim of this work is to provide a multi-physical model of the nitriding in order to predict, for any part geometry, their residual stresses and distortions after treatment. These informations, precious for engineers, will allow to optimize the design and the manufacturing processes of nitrided parts

Ce travail est une investigation experimentale qui se situe dans un contexte industriel de reparation des structures fissurees en utilisant la technique du trou perce en fond de fissure avec et sans expansion. Cette etude a porte sur deux alliages d'aluminium en vue de mettre en evidence le retard lie au reamorcage et a la propagation d'une fissure de fatigue. En effet, le percage d'un trou en fond de fissure conduit a eliminer la singularite par modification geometrique qui diminue la concentration de contrainte. Trois rayons differents ont ete etudies ( = 1 mm, 2. 5 mm et 3 mm). Le nombre de cycles au reamorcage n a, qui est le gain obtenu par cette technique croit quand le rayon du trou augmente. De plus, l'expansion du trou, par deformation plastique du bord (passage d'une bille en acier a travers le trou), permet d'introduire des contraintes residuelles de compression qui reduisent d'une maniere significative les contraintes effectives
Dans ce travail, trois degres d'expansion ont ete analyses (de = 1. 7%, 3. 4% et 4. 3%). L'expansion du trou ameliore considerablement la duree de vie qui augmente avec le degre d'expansion. Par ailleurs, l'effet du chargement sur le nombre de cycles a l'amorcage est etudie. Ce dernier augmente quand l'amplitude du facteur d'intensite de contrainte diminue. L'analyse des facies de rupture par microscope electronique a balayage montre une zone comprimee au bord du trou et une absence des microfissures. Par contre, loin de cette zone des microfissures orientees dans tous les sens ont ete observees. Une modelisation numerique par elements finis est realisee afin de quantifier les contraintes residuelles de compression ainsi que la zone affectee par l'expansion au bord du trou

Jusqu’à ces dernières années, la méthode du trou ne pouvait être utilisée que dans le cas où les contraintes résiduelles sont homogènes dans l’épaisseur du matériau. Des développements récents ont montré que les déformations mesurées à la surface pendant un perçage incrémental pouvait être liées à la distribution des contraintes résiduelles. Un logiciel utilisant la méthode des éléments finis a été mis au point pour calculer les coefficients de calibration de la méthode du trou. Il permet de modéliser les matériaux isotropes et les matériaux multicouches. Un autre problème de la méthode est le choix de méthodes de perçage. Deux systèmes ont été étudiés : un système ultra-rapide à air-turbine et un système sur fraiseuse conventionnelle. La sensibilité de la méthode a été évoquée. La nouvelle méthode du trou incrémentale a été appliquée sur les pièces grenaillées, trempés, soudées, cémentées, rectifiées. Les résultats obtenus par la méthode du trou ont été comparés avec ceux de la méthode de diffraction par rayon X et la méthode de la flèche avec succès.