Contribution à l'étude expérimentale et numérique à l'échelle de la microstructure de l'écaillage d'un alliage de titane PDF Download
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Book Description
L'écaillage est un processus qui, sous un chargement dynamique rapide, conduit à l'endommagement voire à la ruine d'un matériau. La rupture finale résulte d'un processus progressif de création de vides qui vont sous l'action de certains facteurs s'agrandir puis coalescer. Le Ta6V est l'alliage de titane le plus connu et le plus utilisé. Sa microstructure conditionne en tout premier lieu les propriétés mécaniques du matériau, et est un élément essentiel dans l'analyse de l'endommagement. Le titane étudié présente une microstructure biphasée α+β de type Widmanstätten, composée de colonies de lamelles de phase α séparées par une phase β. Une campagne d'essais d'impact plaque/plaque sur le lanceur à gaz du LPMM a été menée. Le Ta6V utilise les mêmes mécanismes d'écaillage que les aciers, à savoir une phase d'amorçage, de croissance et de coalescence de vides. Du fait de la particularité de la structure, la nucléation des vides se produit à un endroit privilégié. A partir d'observations post-mortem du matériau écaillée, un modèle mésoscopique a été développé permettant de déterminer la contrainte macroscopique d'écaillage en fonction du temps de chargement et du niveau d'endommagement. Afin de prendre en compte l'effet de la microstructure particulière du Ta6V et par la même occasion réduire le nombre de coefficients intervenant dans ce modèle, des simulations d'essai d'impact sont effectuées, dans un code de calcul éléments finis, sur un maillage représentatif de la microstructure du matériau. Une loi de comportement micromécanique, prenant en compte les mécanismes de la plasticité cristalline, est alors implémentée afin de déterminer la contrainte de nucléation.
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L'écaillage est un processus qui, sous un chargement dynamique rapide, conduit à l'endommagement voire à la ruine d'un matériau. La rupture finale résulte d'un processus progressif de création de vides qui vont sous l'action de certains facteurs s'agrandir puis coalescer. Le Ta6V est l'alliage de titane le plus connu et le plus utilisé. Sa microstructure conditionne en tout premier lieu les propriétés mécaniques du matériau, et est un élément essentiel dans l'analyse de l'endommagement. Le titane étudié présente une microstructure biphasée α+β de type Widmanstätten, composée de colonies de lamelles de phase α séparées par une phase β. Une campagne d'essais d'impact plaque/plaque sur le lanceur à gaz du LPMM a été menée. Le Ta6V utilise les mêmes mécanismes d'écaillage que les aciers, à savoir une phase d'amorçage, de croissance et de coalescence de vides. Du fait de la particularité de la structure, la nucléation des vides se produit à un endroit privilégié. A partir d'observations post-mortem du matériau écaillée, un modèle mésoscopique a été développé permettant de déterminer la contrainte macroscopique d'écaillage en fonction du temps de chargement et du niveau d'endommagement. Afin de prendre en compte l'effet de la microstructure particulière du Ta6V et par la même occasion réduire le nombre de coefficients intervenant dans ce modèle, des simulations d'essai d'impact sont effectuées, dans un code de calcul éléments finis, sur un maillage représentatif de la microstructure du matériau. Une loi de comportement micromécanique, prenant en compte les mécanismes de la plasticité cristalline, est alors implémentée afin de déterminer la contrainte de nucléation.
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L'amélioration des performances mécaniques des matériaux utilisés dans l'aéronautique repose généralement sur la compréhension de la relation entre les paramètres microstructuraux et le comportement mécanique macroscopique. De plus, le caractère hétérogène et anisotrope de la plupart des matériaux métalliques, notamment l'alliage de titane Ti-6Al-4V, implique une étude assez approfondie à l'échelle locale. Ce travail constitue une contribution dans ce domaine. Il a pour but d'analyser le comportement mécanique de l'alliage Ti-6Al-4V soumis à des sollicitations monotones et cycliques en lien avec la microstructure. Des caractérisations microstructurales ont été tout d'abord effectuées sur des microstructures nodulaires de Ti-6Al-4V possédant la même texture cristallographique mais avec trois tailles de grain différentes : ultra fine, fine et standard, puis sur des microstructures possédant la même taille de grain mais avec deux textures différentes : forte et faible. Dans une deuxième étape, des essais mécaniques monotones et cycliques ont été réalisés. Les résultats de cette partie ont permis le développement d'un modèle à l'échelle macroscopique. Par la suite, une technique d'analyse des traces de glissement a été développée dont l'objectif est d'identifier la contribution de différents systèmes de glissement dans l'accommodation de la déformation plastique. La dernière partie de cette thèse a été consacrée au développement d'un modèle de plasticité cristalline couplé à la méthode des éléments finis (Crystal Plasticity Finite Element Method (CPFEM)) permettant d'analyser l'effet couplé de la taille moyenne des grains, leur dispersion relative et leur texture cristallographique sur le comportement obtenu aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique. Les paramètres du modèle ont été identifiés en utilisant des techniques appropriées de transition d'échelles en champs moyens. Les Volumes Élémentaires Représentatifs (VER) utilisés dans le modèle ont été optimisés en considérant deux contraintes majeures : un nombre de grains représentatif et un maillage adéquat. Les simulations numériques ont été réalisées par le biais du code de calcul éléments finis Abaqus/Standard interfacé par la librairie ZMAT.
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Le présent travail concerne l'étude de l'usinage de l'alliage de titane Ti-6Al-4V, matériau très apprécié par les industries aéronautique, biomédicale et de l'énergie. Les qualités des alliages de titane sont nombreuses : haute résistance aux températures élevées et à la corrosion, haute résistance mécanique, biocompatibilité, etc. Cependant, certaines propriétés physiques de ces matériaux, comme leur faible conductivité thermique, conduisent à des difficultés lors de leur mise en forme par usinage. Des études ont été et sont toujours conduites afin de comprendre le comportement de ces matériaux lors de leur mise en forme. Peu de travaux portent sur la prise en compte de la microstructure dans le comportement des alliages de titane lors du procédé d'usinage. Cette dimension constitue l'une des originalités de ce travail de thèse. Les phénomènes microstructuraux sont caractérisés à travers une étude expérimentale en coupe orthogonale de l'alliage Ti-6Al-4V. Les efforts, la température, la morphologie des copeaux et la microstructure sont analysés et interprétés. Une étude numérique du processus de coupe par simulation éléments finis est employée pour comprendre le rôle de l'endommagement et de la recristallisation. A partir des conclusions de ces différentes études, la construction d'un nouveau modèle de comportement est proposée. Ce modèle est appliqué à une modélisation élément fini pour différentes conditions de coupe afin d'étudier l'influence des paramètres d'usinage. Le modèle est validé par comparaison aux résultats expérimentaux. Il est ensuite exploité afin de proposer une analyse du processus de la coupe et notamment de la formation du copeau.
Author: Houssemeddine Ben Boubaker Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les alliages de titane, notamment grâce à leur faible densité et leurs bonnes propriétés mécaniques, ont vu leur utilisation s'accroître ces dernières années. Cependant, du fait que ces matériaux sont réfractaires, leur mise en forme par usinage à sec est souvent difficile. Toutefois, il est difficile de comprendre les mécanismes induisant la mauvaise usinabilité des alliages de titane en se basant seulement sur des essais expérimentaux. Le recours à la modélisation numérique est une alternative efficace qui permet d'accéder à des grandeurs physiques locales et instantanées et de faciliter la compréhension des mécanismes de formation du copeau. La plupart des simulations numériques d'usinage s'appuient sur une modélisation où le matériau est considéré comme macroscopiquement homogène. Ces simulations permettent d'avoir une estimation globale des phénomènes mécaniques, thermiques et tribologiques engendrés par la coupe. Cependant, lorsque la taille des grains devient comparable par rapport au volume coupé, l'hypothèse d'homogénéité n'est plus valable. Le principal objectif de cette étude est la mise en place d'un modèle de comportement adapté à la modélisation de l'usinage de l'alliage de titane Ti17. À cause de son importante taille des grains, la prise en compte des hétérogénéités microstructurales constitue un élément essentiel de la démarche de modélisation qui s'appuie très largement sur le cadre de la plasticité cristalline. Une loi d'homogénéisation écrite à l'échelle locale permet de considérer la nature hétérogène du Ti17. Ainsi, une procédure d'identification des paramètres basée sur les courbes de comportement en traction, en compression et cisaillement est proposée. Si l'objectif de ce travail est la construction d'un modèle de comportement à l'échelle cristalline, il est néanmoins nécessaire de caractériser le comportement de l'alliage de titane Ti17. Il s'agit d'abord de caractériser le comportement viscoplastique de l'alliage Ti17 puis d'étudier les phénomènes d'endommagement. Finalement, le modèle est principalement utilisé afin de prévoir le rôle des paramètres de coupe et de la microstructure sur les mécanismes de formation du copeau.
Author: Marcin Wronski Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 146
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Dans la quête incessante de matériaux à propriétés améliorées, pour une plus grande durabilité et un allègement des structures, le développement de simulations numériques des processus de mise en forme plus fiables est plus que jamais d’actualité. Or, la compréhension et la modélisation des mécanismes d’écrouissage et de restauration actifs lors de sollicitations dites complexes sont encore largement insuffisantes pour un grand nombre d’alliages métalliques pour que les simulations de processus de mise en forme puissent être qualifiées de prédictives. Par ailleurs, il est également important de pouvoir modifier les procédés standard de mise en forme afin d’optimiser celle-ci en développant de nouveaux procédés permettant par exemple un affinage de la taille de grain, paramètre important pour optimiser les propriétés mécaniques finales. Parmi ces nouveaux procédés, ceux dits de déformation plastique sévères sont largement étudiés : on peut citer par exemple l’extrusion coudée à aires égales (EqualChannel Angular Pressing, ECAP), le co-laminage cumulatif (Accumulative Roll Bonding, ARB), la torsion sous haute pression (High Pressure Torsion, HPT), le laminage asymétrique (Asymetrical Rolling, AR), ..... Toutes ces méthodes permettent d’imposer de grandes déformations au matériau sans dommage, et modifient fortement les microstructures formées. Notamment, on recherche souvent à fragmenter les grains, ce qui permet d’avoir in fine une taille de grain réduite, synonyme de résistance mécanique accrue. Parmi ces méthodes, le laminage asymétrique est particulièrement intéressant par le fait qu’il est beaucoup plus facilement implantable en milieu industriel que les autres méthodes.Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse est donc double : il s’agit tout d’abord d’étudier plus à fond le procédé de laminage asymétrique et notamment son influence sur les modifications de microstructures, d’anisotropie et de propriétés mécaniques de deux alliages métalliques retenus en raison de leur intérêt pour la mise en forme ; on se propose ensuite de s’appuyer sur les résultats expérimentaux obtenus afin d’améliorer la loi de comportement des matériaux étudiés utilisée dans le cadre des simulations par éléments finis. Les deux matériaux retenus sont un alliage d’aluminium (de grade 6061) de structure cubique à faces centrées (cfc) et un titane de pureté commerciale (de grade 2) de structure hexagonale compacte (hc). Le laminoir asymétrique implanté récemment au LSPM qui permet d’imposer de forts taux d’asymétrie (et donc de grandes rotations) a été retenu comme mode de déformation et le suivi des microstructures et des textures cristallographiques a été réalisé par EBSD (Electron Back Scattering Diffraction) et diffraction des rayons X. L’influence du laminage asymétrique sur les évolutions microstructurales a pu être ainsi analysée en détails et a permis de proposer des paramètres matériau pour les lois de comportement utilisées dans les modèles. Ensuite, en couplant un modèle micromécanique à un code d’éléments finis, les simulations réalisées ont permis d’étudier l’influence du laminage asymétrique sur les propriétés mécaniques. Plus précisément, les objectifs que nous nous sommes fixés ont été les suivants : - Caractériser qualitativement et quantitativement les évolutions microstructurales des deux alliages lors du laminage asymétrique, en fonction des paramètres procédé retenus ; - Identifier les paramètres matériaux de la loi de comportement cristalline utilisée dans la partie modélisation, à partir des observations microstructurales et d’essais mécaniques simples ; - Coupler un modèle de type polycristallin à un code d’éléments finis, afin de réaliser des simulations de mise en forme permettant d’accéder non seulement aux évolutions des grandeurs mécaniques mais également aux évolutions de texture ; - Valider le modèle de comportement retenu par confrontation des résultats expérimentaux et numériques (textures surtout). - Discuter finalement de la pertinence du laminage asymétrique pour améliorer les propriétés d’emploi des tôles déformées (avec ou sans recuit après laminage). Le mémoire de thèse est structuré en 5 chapitres principaux, encadrés par une introduction et une conclusion générale. Dans le chapitre 1, le modèle polycristallin retenu est décrit ; il s’agit du modèle polycristallindit LW (Leffers-Wierzbanowski), retenu pour sa simplicité de mise en oeuvre et donc associé à des temps de calcul pas trop lourds, permettant un couplage avec un code d’éléments finis. La loi de comportement utilisée pour le monocristal tient compte du glissement et du maclage (pour le titane uniquement). La capacité de ce modèle à décrire les évolutions microstructurales des alliages métalliques est analysée. Comme, il est par ailleurs bien connu que plusieurs modèles, plus ou moins rigoureux dans leur formulation permettent de reproduire les textures expérimentales au prix parfois d’un ajustement arbitraire de certains paramètres, la capacité prédictive du modèle retenu est analysée plus en détails dans le chapitre 2, qui s’intéresse à la transition de texture bien connue dans les matériaux cfc à énergie de faute d’empilement variable. En effet, en passant d’un matériau à faible énergie de faute d’empilement comme le laiton par exemple à un matériau à énergie de faute d’empilement plus élevée comme le cuivre, on observe une transition dans les textures de laminage, d’une texture dite « Laiton » à une texture dite « Cuivre », composées d’orientations principales différentes. La capacité du modèle LW à reproduire cette transition en ne faisant varier que les paramètres matériau du modèle est donc examinée en détails. Le chapitre 3 décrit la procédure d’implémentation du modèle LW dans le code d’éléments finis ABAQUS/Explicit. Cette procédure s’appuie sur l’écriture d’un module de comportement de type VUMAT, décrit en détails. Ce module est ensuite testé par la simulation d’un essai simple de traction, pour lequel les textures simulées ont été comparées à des textures expérimentales. Le chapitre 4 décrit la partie expérimentale du travail réalisé : les méthodes expérimentales retenues sont tout d’abord décrites (laminage, diffraction X pour les textures crystallographiques, diffraction des électrons rétrodiffusés – EBSD en anglais – dans le microscope électronique à balayage EBSD pour les microstructures). La description des évolutions microstructurales et texturales des deux matériaux déformés à différents taux de déformation et d’asymétrie est ensuite présentée et analysée en détails. On montre notamment que l’asymétrie de laminage permet d’affiner la taille de grain dans la majorité des cas ; cette réduction de la taille de grain est également conservée après le recuit permettant de supprimer l’écrouissage dû au laminage.Le Chapitre 5 décrit ensuite les simulations numériques réalisées. La comparaison des textures simulées et expérimentales pour différents niveaux d’asymétrie et de taux de déformation est très satisfaisante. L’outil développé permet également de reproduire le fait que la distribution des déformations et des contraintes est plus uniforme au sein du matériau après laminage asymétrique qu’après laminage symétrique standard. Les principaux résultats de l’étude sont finalement reprécisés dans la conclusion générale.
Author: Nathan Dumontet (docteur en science des matériaux).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les procédés de fabrication additive ont actuellement atteint une maturité suffisante pour produiredes pièces en série dans plusieurs secteurs industriels. Au cours de cette étude, nous nousfocalisons sur la fabrication par fusion laser sur lit de poudre d'alliages métalliques et en particulierl'alliage TA6V qui est l'alliage de titane le plus couramment utilisé. En effet, les cinétiques derefroidissement du matériau au cours de ce procédé induisent une microstructure martensitiqueparticulière dont les propriétés sont encore mal connues, notamment en termes d'élasticité. Deplus, les pièces en TA6V obtenues par fabrication additive souffrent de l'apparition d'importantescontraintes résiduelles pouvant provoquer leur distorsion voire leur fissuration. Actuellement, lasolution employée pour pallier à l'apparition de contraintes résiduelles consiste en un traitementthermique de détensionnement qui permet de relaxer les contraintes, sans comprendre leurgenèse. La première partie de ce mémoire de thèse est consacrée à l'étude de la microstructurede pièces avant et après un traitement de détensionnement. Nous avons ainsi pu étudier la phasemartensitique ' qui précipite initialement dans le matériau ainsi que la transformation de phase de 'à (+) apparaissant au cours du traitement thermique. Dans un second temps, nous avons étudiél'élasticité des différentes phases expérimentalement et par calculs atomistiques (DFT). L'étudeexpérimentale a été menée à l'échelle macroscopique par essais de traction et vibrationacoustique et localement par diffraction de rayons X. L'ensemble des résultats indique que laphase martensitique ' est moins rigide et plus anisotrope que la phase (des variations de moduled'Young de l'ordre de 15% sont obtenues). Dans la dernière partie de cette étude, l'effet deparamètres de la fabrication additive sur les contraintes résiduelles a été étudié. Les contraintesrésiduelles ont été déterminées par différentes méthodes telles que la diffraction de rayons X, deneutrons ou la courbure de ponts. Nous avons ainsi montré que la conductivité thermique dusupport, le temps de repos et la forme de l'échantillon avaient un effet important sur lescontraintes résiduelles tandis qu'aucun effet clair de la position sur le plateau, de la hauteurd'échantillon ou de la densité d'énergie n'a pu être mis en évidence. Ces différents résultatsapportent une meilleure connaissance des propriétés du matériau et permettent de mieuxcomprendre la genèse des contraintes résiduelles dans les pièces en TA6V élaborées par fusionlaser sur lit de poudre ; offrant ainsi la possibilité d'améliorer la modélisation et l'optimisation desparamètres de ce procédé de fabrication additive en vue d'une meilleure utilisation industrielle.
Author: Laurie Despax (doctorante en science des matériaux).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 183
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L'objectif de ce travail de thèse est de mieux comprendre l'influence de la température, de la vitesse de déformation et de la microstructure initiale sur les mécanismes de déformation mis en jeu, lors de la mise en forme à chaud de tôles d'un alliage de titane Ti-6Al-4V. Pour y parvenir, deux états microstructuraux, présentant des tailles de grains alpha différentes (2 μm-FG et 0,4 μm-UFG), ont été sollicités en traction à différentes températures (T=650°C, 750°C et 920°C) et vitesses de déformation (10-2 s-1, 2x10-3 s-1 et 10-4 s-1). Les évolutions microstructurales (fraction de phase, taille et morphologie des phases, sous-structure granulaire, orientation cristallographique des phases) ont été étudiées, à l'issue de différents taux de déformation, par des outils complémentaires de caractérisation (MEB et analyse d'image, EBSD, diffraction des rayons X et synchrotron). De plus, des essais originaux de traction en température, combinés à de la diffraction synchrotron haute énergie (PETRA III-Hambourg), ont permis de suivre in-situ l'évolution de plusieurs grandeurs cristallographiques. Des mécanismes de déformation sont ainsi proposés et discutés en fonction de la température, de la vitesse de déformation et de la microstructure initiale. Pour la microstructure FG déformée en traction à 750°C à une vitesse de déformation de 10-2 s-1, le mouvement intragranulaire de dislocations dans la phase alpha est favorisé. Une diminution de la vitesse de déformation permet une contribution additionnelle du glissement aux joints de grains probablement accommodé par le mouvement de dislocations dans la phase beta. Avec l'augmentation de la température, d'importantes modifications de fraction et de répartition spatiale des phases liées à la transformation de phases alpha-beta induisent l'activation de mécanismes majoritairement diffusifs en particulier pour une faible vitesse de déformation. Par ailleurs, l'utilisation d'une microstructure initialement ultra-fine et hétérogène présente un atout majeur pour la mise en forme SPF, en raison des modifications microstructurales induites en début d'essai (globularisation) qui conduisent à un nombre important d'interfaces bénéfiques pour la contribution de mécanismes intergranulaires (GBS). Ainsi, la microstructure UFG favorise un comportement de type superplastique à plus basse température et pour des vitesses de déformation plus importantes. L'ensemble des investigations a ainsi permis d'apporter des éléments nouveaux pour la compréhension des mécanismes de déformation contrôlant le comportement à chaud et superplastique.
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L'étude a pour but de caractériser et d'analyser le comportement mécanique du Ti 6242-Si dans un large domaine de températures, de vitesses de sollicitation et de trajets de chargement. En effet une viscoplasticité plus marquée au voisinage de l'ambiante qu'à plus haute température caractérise de nombreux alliages de titane et de zirconium. Ce comportement inhabituel est à relier à des phénomènes d'interactions entre dislocations et atomes interstitiels (O, C, N, H), généralement décrits par les termes de " vieillissement dynamique " ou " vieillissement statique ". Les microstructures de déformation observées en microscopie électronique en transmission sur certains de ces états de déformation particuliers choisis au travers de tout le domaine de températures exploré, apportent des éclairages ponctuels sur les bases physiques possibles d'une interprétation à l'échelle microscopique des phénomènes observés et mesurés à l'échelle macroscopique. Les résultats obtenus sont alors interprétés à partir de la mobilité relative des dislocations ou groupements de dislocations, de leur interaction avec des solutés en sursaturation dans ce matériau, ou de la structure de cœur particulière de ces dislocations à basse température. L'essai de relaxation, grâce à la large gamme de vitesses de déformation qu'il couvre, a permis d'évaluer dans quelles proportions les différents régimes de déformation se mélangent à chaque température. En effet, deux modes plastiques profondément différents, en se combinant, régissent la viscoplasticité macroscopique : - dans le domaine des hautes températures (ou des faibles vitesses de déformation), le mode traînage est dominant : les dislocations coins traînent des atmosphères de solutés. - dans le domaine des basses températures (ou des vitesses élevées), c'est au contraire le mode friction qui prévaut : les dislocations se déplacent rapidement, les atomes de solutés restant quasi immobiles et ne jouant qu'un rôle de durcissement de solution solide. Dans le domaine de recouvrement de ces deux modes plastiques propres - domaine d'existence du phénomène PLC - de brusques changements de comportement peuvent donc apparaître, car la plasticité en mode friction a tendance à se rassembler localement sous forme de " bandes de vitesse ", alors que le reste de la structure ou de l'éprouvette continue à se déformer beaucoup plus lentement en mode traînage, jusqu'à atteindre le " blocage " aux plus basses températures. La plasticité du matériau est intrinsèquement hétérogène. L'étude fine des données de relaxation met en évidence la présence de " bouffées de plasticité " (strain bursts) très localisées dans le temps et dans l'espace (échelle mésoscopique). Le taux de corrélation de ces événements élémentaires détermine l'amplitude et la forme des manifestations macroscopiques (bandes de vitesse, serrations, crochets de traction,...). Les essais mécaniques ont donc permis de déterminer les frontières des différents domaines de comportement de l'alliage étudié et d'y mesurer certains paramètres macroscopiques caractéristiques tels que les énergies et les volumes d'activation apparents de ces modes plastiques. Aux températures élevées (600°C - 450°C), le mode traînage est omniprésent. Le régime de vieillissement dynamique domine au pic du domaine de l'anomalie de comportement, vers 400°C. À cette température, les capacités de restauration du matériau sont très limitées : la faible amplitude de relaxation qu'il présente est suivie d'un blocage strict de la plasticité. Le domaine des températures intermédiaires, entre 300°C et 200°C, est caractérisé par le blocage quasi-instantané de la plasticité. Dans le domaine des basses températures de l'anomalie (autour de 150°C), la plasticité est rétablie grâce à la prédominance du mode friction, et les durcissements de vieillissement et d'écrouissage s'additionnent. Enfin, à température ambiante, c'est-à-dire au voisinage de la limite basse du domaine, le vieillissement statique se manifeste.
Author: Xavier Boidin
Author: Xavier Boidin
Author: Fatna Benmessaoud
Author: Dominique Ibrahima Yameogo
Author: Houssemeddine Ben Boubaker
Author: Marcin Wronski
Author: Giuliano ROMANATO
Author: Jean-Pierre Torcheux
Author: Nathan Dumontet (docteur en science des matériaux).)
Author: Laurie Despax (doctorante en science des matériaux).)
Author: Hélène Jousset