Nouvelles méthodes de détermination des contraintes résiduelles locales

New methods for the determination of local residual stresses

• Auteur / Autrice : Franck Decroos
• Direction : Cécile Langlade, Eric Bourillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 21/11/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) - laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement préparatoire : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Denoirjean
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Langlade, Eric Bourillot, Brice Gautier, Dominique de Ligny, Manuel François
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Brice Gautier, Dominique de Ligny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie

Spectroscopie Raman

Contraintes résiduelles

Mots clés libres

Contraintes résiduelles

Micro-Spectroscopie Raman

Microscopie Micro-Ondes

Revêtements

Céramique

Spectrométrie micro-Ondes de champ proche

Scanning Micro-Wave Microscopy

Residual stress

Coatings

Raman micro-Spectroscopy

Ceramics

Near Field Microwave Spectrometry

Résumé

Lors de leur réalisation, les revêtements projetés sont soumis à une multitude de phénomènes de différentes origines mêlant diverses échelles de temps et d’espace. Il en résulte des champs de contraintes relativement difficiles à appréhender, et donc des comportements en service inattendus. Ces travaux de thèse visent donc la caractérisation de champs de contraintes par des méthodes récentes de hautes résolutions spatiales : un spectromètre Raman et un Microscope Micro-ondes de champ proche. La dernière technique est en cours de développement. Les surfaces investiguées sont respectivement de 1 µm et de 0.020 µm de diamètre. Les deux techniques reposent sur l’interaction de la matière avec une onde électromagnétique et sont non-destructives.Une étude préliminaire est dédiée à l’étude de la réponse micro-ondes du Cr2O3 trigonal puisque la technique de microscopie est utilisée pour la première fois sur une céramique. Les mesures d’amplitude et de phase sont discutées vis-à-vis de la dispersion sur la mesure et de la profondeur d’investigation.L’étude des revêtements projetés concernent des dépôts de Cr2O3 trigonal sur substrat en acier. Les cartographies réalisées par microscopie micro-ondes révèlent des motifs qui se répètent sur certaines fréquences, voire des gradients uni-axiaux toujours dans la même direction. Les cartographies Raman ne révèlent aucun des motifs observés par la microscopie micro-ondes. Les résultats micro-ondes sont également comparés à ceux du perçage incrémental et à ceux précédemment obtenus sur les échantillons frittés : la sensibilité des réponses obtenues entre 4.5 et 10.5 GHz sont remises en question. Les cartographies Raman révèlent un arrangement aléatoires entre contraintes de traction et compression dont la valeur moyenne est en compression (-180 MPa), et dont la dispersion autour de la moyenne est similaire entre les échantillons. Ces résultats sont en accord avec la littérature, d’autant plus que nos revêtements sont particulièrement durs. Les résultats du perçage incrémental rendent compte d’un revêtement majoritairement en compression, tandis que la DRX met en évidence un état de traction à la surface (plus de 100 MPa). Les résultats sont discutés vis-à-vis des incertitudes, de la profondeur d’investigation et des principes physique de mesure.Concernant les résultats plus tôt remis en question de la microscopie micro-ondes, un travail de méthodologie et de théorie a été entrepris afin de requestionner notre méthode de mesure. Il s’avère que l’ordre magnétique du matériau porté par les ions Cr3+ est très susceptible d’influencer la réponse micro-ondes.

Splat solidification in thermal sprayed coatings relies on phenomena of various origins, time constants, and dimensional scales which altogether lead to complex residual stress states. As a result, in-service performance may be under or overestimated. Hence, this work aims at characterizing residual stress fields using high resolution instruments: a Raman spectrometer and a tailor-made Near-Field Scanning Microwave Microscope (NFSMM). Investigation areas are of 1 µm and 0.020 µm diameter respectively, both techniques are non-destructive and rely on electromagnetic interaction with matter.A preliminary study was conducted on sintered trigonal Cr2O3 with NFSMM as the technique is used for the first time on a ceramic material. Electromagnetic response was analyzed regarding both signal and phase outcomes, as well as discussed in terms of depth of investigation and dispersion.Results obtained from plasma sprayed trigonal Cr2O3 on steel substrate are then presented. NFSMM mapping reveal some uniaxial gradients or/and patterns between frequencies, none of which are observed on Raman spectroscopy mapping. Through thickness results are discussed in comparison with Incremental Hole Drilling (IHD) investigation and results from the preliminary study: response from 4.5 to 10.5 GHz in terms of stress measurement is questioned. Mapping from Raman spectrometry exhibits randomly arranged stress levels which are relatively well balanced around a compressive stress state (- 180 MPa) and which dispersion is similar between coatings. This is consistent with literature and the fact that coatings exhibit high hardness values. IHD results mostly indicate compressive stress levels within the coatings whereas XRD reveals tensile stress (superior to 100 MPa). All results are discussed in terms of uncertainty, depth of investigation, and physical principle of measurement.Regarding unexpected results from NFSMM further methodological and theoretical work was engaged questioning our analysis technique and revealing magnetic organization carried by Cr3+ ions is very likely to influence electromagnetic response at microwave frequencies.