Étude des propriétés mécaniques statiques et dynamiques de pièces d'acier élaborées par métallurgie des poudres

Les pièces d'acier produites par métallurgie des poudres (M/P) ont remplacé les aciers corroyés dans plusieurs applications, principalement à cause de leur coût plus faible et à la possibilité de les produire près des côtes finales. Le procédé d'élaboration d'aciers M/P, qui consiste au pressage de poudres suivi d'un frittage, mène à de la porosité résiduelle réduisant ainsi les propriétés mécaniques. Les propriétés mécaniques des aciers M/P sont généralement inférieures à celles des aciers corroyés. Cependant, les propriétés statiques et dynamiques des aciers M/P ont récemment atteint un niveau équivalent à celui des aciers corroyés. Les propriétés mécaniques statiques et dynamiques des pièces d'acier élaborées par métallurgie des poudres sont principalement fonction de la porosité et de la microstructure. Plusieurs paramètres du procédé affecteront la porosité et la microstructure des pièces M/P, tels que la composition initiale de la poudre de base, l'ajout d'éléments d'alliages, la densité à vert, le temps et la température de frittage ainsi que les traitements thermiques. L'objectif principal de cette thèse de doctorat est d'apporter une meilleure compréhension des effets des paramètres du procédé sur la porosité et la microstructure ainsi que leurs impacts sur les propriétés mécaniques statiques et dynamiques de pièces élaborées par métallurgie des poudres. Les effets des paramètres du procédé sur la porosité et la microstructure ont été évalués par des techniques de caractérisation microstructurale avancée utilisant autant la microscopie optique qu'électronique. Les propriétés mécaniques statiques ont été caractérisées par des mesures de dureté et des essais de traction tandis que des essais de fatigue endurance ont été utilisés pour évaluer les propriétés mécaniques dynamiques. Des observations fractographiques ont aussi été faites sur les éprouvettes de traction et de fatigue afin de corréler les aspects microstructuraux aux propriétés mécaniques des aciers M/P. Les travaux expérimentaux effectués dans le cadre de cette thèse ont permis d'approfondir la compréhension des mécanismes par lesquels les paramètres du procédé d'élaboration d'aciers par métallurgie des poudres influenceront les propriétés mécaniques. Cette thèse de doctorat est basée sur trois articles présentés dans des revues scientifiques à comité de lecture. Un des chapitres de ce document décrira la cohérence entre chaque article et avec les objectifs de la recherche. Les trois articles sont par la suite présentés dans des chapitres différents.

Abstract

Powder metallurgy (P/M) steel parts are replacing wrought steels in many applications, mainly due to their lower cost and ability to be processed to near-net shape. The P/M steel production process, which consists of compacting elemental powders followed by sintering, leads to residual porosity which adversely affects mechanical properties. Whilst mechanical properties of P/M steels are usually lower than those of their wrought steel counterparts, equivalent static and dynamic properties were recently reached. In addition to porosity, the microstructure of P/M steel strongly affects static and dynamic properties. Several processing variables will affect porosity and microstructure such as initial powders composition, alloying additions, green density, sintering time and temperature and heat treatment. Static and dynamic properties of P/M steel parts are mainly influenced by porosity and microstructure. Several processing variables will affect porosity and microstructure such as initial powder composition, alloying additions, green density, sintering time and temperature and heat treatment. The main objectives of this Ph.D. thesis is to gain a better understanding of the effects of processing variables on the porosity and microstructure of P/M steel and their effect on mechanical properties, both static and dynamic. The effects of processing variables on porosity and microstructure were evaluated by advanced microstructural characterization using both optical and electron microscopies. Then the impacts of porosity and microstructure on both static and dynamic properties were measured. Static mechanical properties were characterized by hardness measurements and by tensile tests while fatigue testing was used for evaluating dynamic properties. Fractographic observations were made on tensile and fatigue fracture samples to correlate the microstructural features to the mechanical performance of P/M steels. The experimental work covered in this Ph.D thesis enables to further understand the mechanisms by which process variables affect the microstructure and the mechanical properties of samples. This Ph.D. thesis is based on three scientific papers. One chapter of this thesis is therefore dedicated to describing the coherence between each paper and with the overall objectives of the research. The three papers are then presented in separate chapters.