Inscrit au sein d'un grand projet aboutissant à la mise en œuvre des réacteurs nucléaires de génération IV, ce travail de thèse porte sur l'étude des aciers martensitiques revenus à 9 % de chrome. Actuellement utilisés pour des applications à haute température, notamment dans les centrales thermiques, ils présentent en fatigue et en fatigue-fluage un phénomène d'adoucissement mécanique et des évolutions microstructurales particulièrement prononcées : disparition de nombreux joints de sous-grains, baisse de la densité de dislocations, apparition et/ou grossissement de précipités et de nouvelles phases. Les objectifs principaux de cette thèse sont (i) d'établir expérimentalement une corrélation entre l'adoucissement mécanique des aciers à 9 % de chrome constaté en fatigue à 550 °C et l'évolution de leur microstructure au cours de ce type de sollicitation et (ii) de modéliser les mécanismes physiques de déformation afin de prédire le comportement mécanique de ces aciers sous chargement cyclique. Une étude des propriétés mécaniques en traction monotone et sous sollicitations cycliques à 550 °C a été conduite sur un acier de Grade 92 (9Cr-0,5Mo-1,8W-V-Nb). L'expertise des éprouvettes de traction suggère que l'adoucissement du matériau est principalement lié à une augmentation de la taille moyenne des sous-grains de plus de 15 % par rapport à l'état initial. L'étude de l'évolution de la contrainte macroscopique durant les essais cycliques montre que l'adoucissement du matériau est dû à la diminution de l'écrouissage cinématique. Les observations effectuées au MET montrent une augmentation de la taille moyenne des sous-grains comprise entre 65 et 95 % et une diminution de la densité de dislocations de plus de 50 % dans le matériau après les essais de fatigue, par rapport à l'état initial. Un modèle auto-cohérent à champs moyens fondé sur l'élastoviscoplasticité polycristalline, prédisant le comportement mécanique macroscopique du matériau et l'évolution microstructurale au cours de la déformation est proposé. En décrivant les mécanismes de déformation à partir d'observations microstructurales, le modèle utilise seulement deux paramètres ajustables (énergie et volume d'activation) liés aux mécanismes de déformation viscoplastique. Les valeurs de l'ensemble des autres paramètres sont fixées grâce à des mesures expérimentales ou des calculs issus de la littérature. Le modèle prédit correctement l'adoucissement macroscopique et donne une bonne tendance des évolutions microstructurales au cours de la déformation. L'étude paramétrique montre une bonne stabilité des prédictions dès lors que les paramètres expérimentaux varient dans un intervalle de mesure physiquement acceptable. Enfin, quelques perspectives d'amélioration du modèle sont testées et des essais de torsion cyclique avec et sans contrainte moyenne sont simulés.

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre d’une cotutelle internationale entre l’IMT - École des Mines d’Albi-Carmaux et l’Ecole Polytechnique de l’Université de Sao Paulo (EPUSP). Elle a pour but de contribuer à l’étude du comportement mécanique des alliages de titane Ti6Al4V, et plus spécialement dans le domaine du formage superplastique et du formage à chaud. L’objectif général de ce doctorat est de contribuer au développement de procédés de formages non conventionnels des alliages de titane pour applications aéronautiques. C’est pourquoi, en fonction des équipements disponibles sur les deux sites, les travaux de recherche se sont déroulés soit à l’Ecole des Mines soit à l’EPUSP. Cette thèse adresse la problématique scientifique des interactions entre le comportement mécanique dans le domaine du formage superplastique et de formage à chaud d’une part et la microstructure initiale et son évolution dans le domaine de sollicitation d’autre part. Pour cela une stratégie d’essais et de caractérisation a été développée et suivie. Les essais incluent des essais mécaniques uniaxiaux à haute température sur différents alliages Ti6Al4V présentant des microstructures initiales différentes (taille de grain 0,5; 3,0 et 4,9 μm). Une attention particulière a été portée à l’évolution microstructurale avant essai - c’est- à-dire durant sa montée en température et la stabilisation thermique de l’échantillon – et durant l’essai. Les conditions d’essai ont été choisies de façon à couvrir le domaine du formage à chaud et du formage superplastique, température de 700°C à 950°C et vitesse de déformation entre 10-1 s-1 et 10-4 s-1. La croissance de grain dépend de la microstructure initiale mais aussi de la durée de l’essai en température (croissance statique) et de la vitesse de déformation (croissance dynamique). Afin d’améliorer la validité du modèle des observations microstructurales de taille de grain sont effectués après les essais mécaniques par micrographie optique et Microscope Electronique à Balayage. Un modèle de comportement unifié a été introduit de façon à être capable de couvrir toute la plage de température et de vitesse de déformation : écrouissage cinématique non linéaire, sensibilité à la vitesse de déformation et loi de croissance de la taille des grains sont inclus dans le modèle. Afin de pouvoir valider le modèle, il a été introduit dans le code de simulation ABAQUS®. Les résultats des simulations (en particulier déformation macroscopique et taille de grain locale) ont été comparés, pour l’un des matériaux de l’étude, aux résultats d’un essai de gonflage axisymétrique de tôle. Pour obtenir un cycle de contrôle simple, les essais effectués au laboratoire de l’IPT/LEL à Sao José dos Campos au Brésil ont été opérés à vitesse de déformation constante. Les résultats montrent une très bonne corrélation avec les prédictions et permettent de conclure à une validation du modèle de comportement développé dans la thèse dans des conditions industrielles de formage de l’alliage de titane. / This thesis was developed in the frame of a Brazil-France cooperation agreement between the École des Mines d'Albi-Carmaux and the Polytechnic School of Engineering of the University of Sao Paulo (EPUSP). It aims to contribute to the study of the mechanical behaviour of Ti6Al4V alloys especially in terms of superplastic forming. The general objective of this research is to develop non-conventional forming processes for new titanium alloys applied to aerospace components. Therefore, in accordance of the equipment’s available in the two groups, the work will be conducted either at the Ecole des Mines d'Albi-Carmaux and either at EPUSP. This thesis aims to answer questions such as what are the implications in relation to the microstructural and mechanical behaviour of these alloys during superplastic and hot forming in order to establish a behaviour law for these alloys based on titanium. This requires a good knowledge of the properties of materials used in the superplastic and hot forming domain to control the parameters governing the phenomenon of superplasticity or high temperature plasticity. For this, a testing strategy and characterization methodology of those new titanium alloys was developed. The tests include high temperature uniaxial tensile tests on several Ti6Al4V alloys showing different initial grain sizes. Special focus was made on the microstructural evolution prior to testing (i.e. during specimen temperature increase and stabilization) and during testing. Testing range was chosen to cover the hot forming and superplastic deformation domain. Grain growth is depending on alloy initial microstructures but also on the duration of the test at testing temperature (static growth) and testing strain rate (dynamic growth). After testing microstructural evolutions of the alloys will be observed by optical micrograph or SEM and results are used to increase behaviour model accuracy. Advanced unified behaviour models where introduced in order to cover the whole strain rate and temperature range: kinematic hardening, strain rate sensitive and grain growth features are included in the model. In order to get validation of the behaviour model, it was introduced in ABAQUS numerical simulation code and model predictions (especially macroscopic deformation and local grain growth) were compared, for one of the material investigated, to axisymmetric inflation forming tests of sheet metal parts, also known as bulge test. To obtain a simple control cycle, tests performed at IPT/LEL laboratory in San José Dos Campos in Brazil were operated with a constant strain rate. Results show a very good correlation with predictions and allows to conclude on an accuracy of the behaviour models of the titanium alloys in industrial forming conditions.

La recristallisation, qui peut se produire de façon dynamique ou statique, est un important phénomène qui transforme la microstructure des matériaux métalliques déformés modifiant ainsi ses propriétés mécaniques. Malgré l'existence de travaux approfondis sur la modélisation numérique du phénomène de recristallisation, la littérature scientifique manque de modèles précis capables de prédire l'évolution microstructurale dans des conditions de mise en forme multi passes. Bien que des efforts aient été réalisés dans cette direction, la plupart des modèles existants dans la littérature présentent soit un manque de validation expérimentale, soit ne fournissent que des accords qualitatifs entre les résultats numériques et expérimentaux dans des conditions de déformations connues et sélectionnées. De plus, les relations entre la recristallisation statique (SRX), la recristallisation dynamique (DRX), la recristallisation post-dynamique (PDRX) et la croissance de grains (GG) sont généralement trop simplistes. Par ailleurs, la plupart de ces modèles ne sont pas conçus pour la réalisation de simulations avec des conditions thermiques et/ou mécaniques variables et limite par conséquent leur utilisation pour des applications industrielles. Pour cette étude, un modèle à champ moyen 2 sites a été développé afin de décrire l'évolution microstructurale de l'acier 304L. L'originalité de ce modèle réside dans : (a) l'interaction de chaque grain avec deux milieux homogènes équivalents, avec respectivement une densité de dislocation élevée et faible; (b) le poids relatif de chaque milieu est lié à leur fraction volumique ; (c) la germination et la disparition des grains rendent la microstructure variable au cours du temps ; (d) les paramètres dépendent de la température et de la vitesse de déformation mais pas de la taille des grains dans les conditions DRX, et uniquement de la témpérature dans les conditions statiques (SRX/PDRX/GG); (e) des accords quantitatifs avec les résultats expérimentaux sont obtenus en fonction de (i) la cinétique de recristallisation, (ii) la courbe contrainte-déformation, (iii) taille de grain après recristallisation, et (f) le modèle a été développé pour être utilisé en conditions multi- passes, avec des valeurs variables de température et de vitesse de déformation. Afin de vérifier et valider le modèle, plusieurs essais de tractions ont été réalisés sous de nombreuses conditions différentes de température et de vitesse de déformation, afin de caractériser le mode DRX. Pour la vérification de la SRX et PDRX, des traitements de recuit ont été réalisés après la déformation plastique, respectivement à froid et à chaud. Les paramètres du modèle ont premièrement été estimés à partir des donnés expérimentales ou présentes dans la littérature, et ont ensuite été établis par analyse inverse. Il a été constaté que tous les paramètres du modèle évoluent de manières physiquement cohérentes en fonction de la température et de la vitesse de déformation. Les résultats obtenus à partir de la simulation de la DRX, SRX/PDEX/GG ont été analysés, en prenant en compte les effets de la température de déformation, la vitesse de déformation, la déformation appliquée ainsi que la taille de grain initiale. Un bon accord entre les résultats numériques et expérimentaux a été observé pour les différents types de recristallisation, ce qui ouvre la voie à la modélisation de la mise en forme en conditions multi passes pour des applications industrielles. Finalement, des traitements thermiques avec analyse in situ ont été réalisés afin d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de SRX/PDRX/GG. Le rôle du maclage pendant le traitement de recuit a été discuté : il semble favoriser à la fois la germination et la migration des joints de grains.