Experimentation and simulation of H.S.L.A. sheet metal bending bent pats behaviour's prediction during working life - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2003

Experimentation and simulation of H.S.L.A. sheet metal bending bent pats behaviour's prediction during working life

Elaboration de revêtements sur acier inoxydable: simulation de la fusion par irradiation laser, caractérisation structurale, mécanique et tribologique.

(1)
1

Abstract

A pulsed Nd-YAG laser is used to irradiate and alloy X30Cr13 stainless steel by surface melting, with incorporation of boron or hexagonal boron nitride (h-BN), and to obtain thick coatings: multiphase borided alloys or metal-ceramic composites. The metallographic analyses allow to determine the thickness for each coating (melting zone) and reveal characteristic solidification microstructures: planar front and cellular dendrites. Optical characteristics of the laser beam are measured: divergence, focal length spot radius and power distribution in the focal plane. Heat effect simulations are based on the finite difference modelling of the temporal progression of temperature distribution in the steel irradiated by scanning of the pulsed beam. Melting zone thickness is computed and progression of melting front during irradiation is simulated and so, a better description of the conditions of material incorporation by successive meltings and solidifications becomes possible. The mechanical properties, elastic modulus and hardness, of the different coatings are determined from nanoindentation tests. Under optimal irradiation conditions, the hardness reaches 14 GPa for composite coating and 10 GPa for borided alloy, whereas that for untreated steel is 4 GPa. Friction and wear tests are systematically performed in a ball-on-disc configuration, at 25 °C under various loads (1 to 10 N), then at 300 and 500 °C under 2 N. At ambient temperature, the dry sliding on ruby ball of these two types of coatings is characterized by a reduced friction coefficient and a weak wear rate, compared with the untreated steel, revealing a very reinforced resistance towards adhesive and/or abrasive wear. On the other hand, their wear resistance is decreased from 300 °C, in the spite of the significant lowering of friction coefficient.
L'irradiation par un laser Nd-YAG pulsé est mise en oeuvre afin d'élaborer des revêtements épais sur acier inoxydable X30Cr13, par fusion superficielle avec apport de bore ou nitrure de bore hexagonal (h-BN): alliages borurés polyphasés ou composites métal-céramique. Les coupes métallographiques permettent de déterminer l'épaisseur de chaque revêtement (zone fondue) et révèlent des microstructures de solidification caractéristiques: front plan, cellulaire et dendritique. Les caractéristiques optiques du faisceau laser sont déterminées: divergence, distance focale, rayon du spot et distribution de la puissance dans le plan focal. La simulation des effets thermiques est fondée sur la modélisation par différences finies de la distribution spatio-temporelle de la température, dans l'acier irradié par balayage du faisceau pulsé. Par ce moyen, la prévision de l'épaisseur atteinte par la zone fondue et la description de l'avancement du front de fusion durant l'irradiation deviennent possibles, d'où une meilleure description des conditions d'incorporation de matière, selon un processus de fusions et solidifications successives. Les propriétés mécaniques, module d'élasticité et dureté, des divers revêtements sont déterminées à partir d'essais de nanoindentation. Dans des conditions d'irradiation optimales, la dureté du composite atteint 10 GPa et celle de l'alliage boruré, 14 GPa, alors que l'acier non traité a une dureté de 4 GPa. L'analyse systématique du comportement tribologique des revêtements est effectuée en configuration bille-sur-disque, à 25 °C sous différentes charges (1 à 10 N), puis à 300 et 500 °C sous 2 N. A température ambiante, le glissement à sec sur bille en rubis de ces deux types de revêtements est caractérisé par un coefficient de frottement réduit et un faible taux d'usure volumique, par rapport à ceux de l'acier non traité, révélant une résistance nettement renforcée envers l'usure adhésive et/ou abrasive. A partir de 300 °C, en revanche, leur tenue au frottement se dégrade, malgré l'abaissement sensible du coefficient de frottement.
Fichier principal
Vignette du fichier
theseAvril.pdf (12.51 Mo) Télécharger le fichier
Loading...

Dates and versions

pastel-00000681 , version 1 (09-09-2010)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00000681 , version 1

Cite

Ludovic Avril. Elaboration de revêtements sur acier inoxydable: simulation de la fusion par irradiation laser, caractérisation structurale, mécanique et tribologique.. Sciences de l'ingénieur [physics]. Arts et Métiers ParisTech, 2003. Français. ⟨NNT : 2003ENAM0016⟩. ⟨pastel-00000681⟩
736 View
2983 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More