Architecturation de tôles métalliques par traitement laser localisé

Architectural design of metal sheets by localized laser treatment

• Auteur / Autrice : Zhige Wang
• Direction : Justin Dirrenberger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Justin Dirrenberger, Hatem Zurob, Mathilde Brocq, Aude Simar, Olivier Bouaziz, Sébastien Allain, Dominique Poquillon, Samuel Forest
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hatem Zurob, Mathilde Brocq

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Matériaux architecturés

Faisceaux laser

Thèses et écrits académiques

Acier inoxydable

Mots clés libres

Matériaux architecturés

Mécanique des matériaux

Analyse par éléments finis

Métallurgie

Procédé laser

Architectured materials

Mechanics of materials

Finite element analysis

Metallurgy

Laser processing

Résumé

Dans cette étude, le procédé laser est appliqué pour fabriquer des matériaux architecturés à base de d'acier avec des renforcements localisés de différents géométries. Lors de la première étape, des tôles en acier inoxydable ferritique AISI 430 contenant 18 % de Cr ont été durcies par des faisceaux laser à onde continue dans différentes conditions. Une plate-forme de traitement laser a été développée avec deux lasers placés symétriquement. Ils peuvent fonctionner simultanément afin d'obtenir une microstructure homogène dans l’épaisseur de l'échantillon et d'éviter la surchauffe associée aux traitements laser simples sur une surface. L'influence de la densité d'énergie linéaire et du gaz de protection sur la microstructure et la dureté est étudiée pour les traitements laser simples et doubles. Le comportement en traction et l'effet d'oxydation pendant le traitement sont également étudiés. Avec un pic de température autour de Tm, la micro-dureté locale du matériau traité est supérieure de 90% au matériau de base, tandis que les échantillons entièrement traités par le laser multipiste présentent une augmentation de 60% de la limite d'élasticité et de 45,8% de la résistance à la rupture. Le paramètre du laser qui conduit à la résistance la plus élevée a été choisi pour fabriquer des matériaux architecturés avec des renforcements droits et sinusoïdaux et leurs comportements mécaniques ont été caractérisés par essais de traction avec le système de corrélation d'images et comparés aux résultats de simulation par la méthode des éléments finis. Aucun effet d'amélioration des courbes sinusoïdales sur la ductilité n'a été trouvé en raison du dépliage incomplet et du contraste insuffisant de résistance entre la matrice et le renforcement. Dans la deuxième étape, la carburation directe par faisceau laser est mise en œuvre pour la première fois sur des tôles d'AISI 430 avec revêtement en graphite dans différentes conditions. La morphologie, la constitution de phase, la teneur en carbone, la micro-dureté et le comportement en traction sont étudiés pour évaluer l'effet de carburation par laser. La teneur en carbone la plus faible est d'environ 0,4% et l'austénite devient la phase principale. La ferrite delta se trouve dans la zone carburée, qui ressemble à acier duplex. La dureté de la zone carburée a été augmentée d'au moins 130 %, la limite d'élasticité et la résistance à la rupture des échantillons entièrement carburés peuvent augmenter respectivement de 90 % et 85 %. Le paramètre laser produisant le plus d'effet de durcissement a été pris pour introduire des renforcements droits et sinusoïdaux dans la matrice et leur comportement mécanique a été caractérisé. Un effet d'amélioration très limité sur la ductilité induite par renforcement sinusoïdal a été observé. Dans la dernière partie, la trempe laser est appliquée à l'acier ferritique ductile afin d'introduire des renforts martensitiques droits et sinusoïdaux. Le comportement en traction d'échantillons architecturés est étudié à l'aide de la simulation et d'essais mécaniques pour illustrer l'effet des renforcements sinusoïdaux sur la ductilité. Les résultats montrent qu'avec la même fraction volumique renforcée de 24 %, une augmentation de la hauteur/période de la sinusoïde conduit à un gain de ductilité avec une perte de limite d'élasticité et de résistance à la rupture. Cet effet bénéfique sur la ductilité est dû au processus de dépliage des courbes sinusoïdales qui introduisent un écrouissage géométrique lors de la traction. Des simulations étendues sont effectuées sur différentes hauteurs/périodes des sinusoïdales et les tendances d'évolution de la résistance à la rupture et de la ductilité changent avec différents volumes renforcés. Cette étude propose une perspective sur les matériaux architecturés renforcés par des courbes sinusoïdales. Les paramètres géographiques peuvent être choisis en fonction du comportements mécaniques désirés.

In this study, laser process is applicated to fabricate architectured materials based on steel sheets with localized reinforcements of different geometrical patterns. At the first stage, thin AISI 430 ferritic stainless steel sheets containing 18% Cr were hardened by continuous-wave laser beams under different conditions. A symmetric double laser treatment platform was developed to operate two lasers simultaneously in order to achieve a homogenous microstructure through the specimen and avoid the overheating associated with single laser treatments on one surface. The influence of linear energy density and shielding gas on microstructure and hardness is investigated for both single and double laser treatments. Tensile behavior and oxidation effect during treatment are also studied. With a peak temperature around Tm, the single-track laser yields local microhardness that is 90% higher than the base material, while samples completely treated by the multi-track laser present a 60% increase in yield stress and 45.8% in ultimate tensile stress. These improvements in mechanical behaviors are driven by the formation of martensite and chromium carbides upon rapid cooling despite poor carbon content and dramatic grain coarsening. The laser parameter which leads to the most strengthening effect was chosen to fabricate straight and corrugation reinforced architectured materials and their mechanical behaviors were followed by tensile test with Digital Image Correlation system and compared with Finite Element Method simulation results. No enhancing effect of corrugations on necking strain was found due to the uncompleted unbending and insufficient contrast in strength between matrix and reinforcement. At the second stage, direct laser beam carburization is implemented for the first time on thin AISI 430 sheets with graphite coating under different conditions. Microstructural morphology, phase constitution, carbon content, microhardness, and tensile behavior are investigated to evaluate the laser carburization effect. The least carbon content is around 0.4 wt% in the carburized zone where austenite becomes the leading phase. Delta ferrite is found in a cellular carburized area, which resembles a duplex microstructure. The hardness of carburized zone has been at least increased by 130%, the yield strength and ultimate tensile strength of a fully carburized sample can be increased by respectively 90% and 85%. This hardening effect is driven by the precipitation of carbides formed during solidification offering pinning points for dislocations and grain boundaries. The laser parameter resulting the most strengthening effect was taken to introduce straight and corrugated reinforcements into the matrix and their mechanical response was followed. Very limited enhancing effect on necking strain induced by corrugated reinforcement was observed. In the last part, laser hardening is applied to ductile ferritic steel in order to introduce straight and corrugated martensitic reinforcements, effectively generating architecture steel sheets. Tensile behavior of laser-architectured samples is studied both using FEM simulation and mechanical testing to reveal the effect of laser-induced corrugations on strength and necking strain. Results show that with the same reinforced volume fraction of 24%, an increase in corrugation height/period leads to a gain in necking strain with a loss in yield strength and ultimate tensile stress. This beneficial effect on necking strain is due to the corrugation unbending process which introduces a so-called geometric work hardening during tension. Extended simulations are carried out on various corrugation height/period and the evolution trends of ultimate tensile strength and necking change with different reinforced volumes. This study proposes a perspective on corrugation reinforced architectured materials. Corrugation parameters can be chosen to tailor the mechanical behavior of laser-architectured materials.