Un modèle phénoménologique 3D de visco-plasticité couplée avec les évolutions microstructurales et l'endommagement est proposé pour les superalliages monogranulaires base Nickel, les matériaux des aubes de turbine à haute pression de moteurs d'hélicoptères. L'anisotropie de la mise en radeaux, la croissance et la dissolution de la phase durcissante sont modélisés. Une variable tensorielle et sa loi d'évolution permettent la description de la variation de la largeur des couloirs de matrice. Ce travail s'appuie sur la décomposition en modes de Kelvin du tenseur d'élasticité. Cette décomposition conduit également à une description multi-critère mésoscopique de la visco-plasticité cubique. Une formulation en (visco-)plasticité cristalline a été également proposée. Une loi d'endommagement avec seuil de type dD/dt=... est formulée pour la modélisation du fluage tertiaire et pour la prévision de la ductilité en traction. Une expression originale du seuil d'endommagement rend compte des effets de vitesse sur l'amorçage de l'endommagement par visco-plasticité. Une étude expérimentale a été conduite sur le CMSX-4, l'alliage au centre de cette étude, parallèlement aux travaux de modélisation. Des essais de dissolution ont été réalisés afin de mesurer la variation de la fraction volumique des précipités avec la température. Les mécanismes de déformation du matériau ont été observés en fluage isotherme à 850°C et 1050°C selon les principales directions cristallines du triangle stéréographique standard et constituent une base d'identification pour le modèle, la réponse mécanique du matériau obtenue. Trois essais de traction ont été réalisés selon la direction <111>, deux à vitesse de chargement constante, le troisième à vitesse variable. Des essais cyclés thermiquement de type 150h-moteur ont été réalisées sur le banc MAATRE. Des analyses EBSD et MET ont été réalisés sur les échantillons orientés selon les directions cristallines <011>, <111> et <112> et testés à 850°C. Ces analyses ont montré que le mâclage est le principal mécanisme de déformation pour des déformations supérieures à $1-2%$ selon ces orientations cristallines en fluage à cette température et à haute contrainte (>400 MPa). Enfin, le modèle a été implanté dans le code à élément Finis ZéBuLon, sans ou avec endommagement, et des calculs de structures ont été réalisés / A 3D phenomenological model coupling viscoplasticity, microstructural evolutions and damage is proposed for Ni-based single crystal superalloys, which are widely used materials for high pressure turbine blade in helicopter engines. The anisotropy of the gamma'-rafting, the gamma'-coarsening and the dissolution of the hardening gamma' phase are modeled. A tensorial variable and its evolution law allow to describe the variation of the gamma channels. The modeling is based on the Kelvin decomposition of the elasticity tensor. This decomposition leads to a phenomenological multi-criterion description of the cubic visco-plasticity. A formulation based on the single crystal (visco-)plasticity framework is also proposed. A damage law of type dD/dt=… is introduced in order to model the tertiary creep stage and the ductility. A novel rate sensitive damage threshold is introduced in order to account for the rate sensitivity of the damage onset by visco-plasticity. An experimental study has been carried out on the CMSX-4 alloy, which is the material of main interest in this study, in parallel to the modeling work. Dissolution tests have been carried out to measure the gamma'-volume fraction variation with temperature. The deformation mechanisms of the CMSX-4 alloy have been observed by performing tensile creep tests at 1050°C and 850°C. These tests have also constituted a database for the model identification. Three tensile tests have been realized along the <111> crystal direction, two at constant strain rate and the third by varying the strain rate. Non-isothermal creep tests reproducing the 150h-type engine test have been performed on the MAATRE bench. EBSD and TEM analysis have been realized on the specimens oriented along the <011>, <011> and <112> crystal directions and crept at 850° C. These analysis have shown that micro-twinning governs the deformation along these crystal directions during creep at this temperature and at high stresses (> 400 MPa) for deformation in excess of 1-2%. Finally, the model (with and without damage) has been encoded in the ZéBuLoN Finite Element solver and structure computations have been performed.

La thèse est inscrite au sein du projet ASTRID, qui est un démonstrateur technologique pour les réacteurs de quatrième génération (Gen-IV). Le premier matériau choisi pour constituer les gaines de cœur est un acier inoxydable austénitique stabilisé au titane (type 15Cr-15Ni Ti). L’écrouissage à froid des gaines permet la précipitation de nano-carbures de titane en service sur les dislocations, retardant ainsi les phénomènes de restauration par effet d’épinglage. En conditions accidentelles (T > 650°C), et plus particulièrement dans le cas d’une perte de réfrigérant primaire, le comportement en fluage de ces gaines est très mal connu. L’objectif des travaux de thèse est donc de déterminer les mécanismes de déformation et de rupture en fluage, entre 650°C et 950°C, de cet acier à l’état non irradié.Dans un premier temps, les microstructures d’échantillons après différents recuits ont été comparées afin d’étudier l’influence de la température sur les évolutions métallurgiques. L’étude de la précipitation et des cinétiques de restauration et de recristallisation, ont permis de dresser les évolutions microstructurales sans charge appliquée.En plus d’étudier le comportement en fluage uniaxial de l’acier à haute température, les caractérisations des éprouvettes après essais ont permis de déterminer les évolutions microstructurales au cours et après essais de fluage (contributions simultanées de la température et de la contrainte). La comparaison avec les microstructures obtenues après recuits a mis en évidence une accélération de la cinétique de recristallisation sous charge, rendant l’effet de la contrainte sur ces évolutions non négligeable.Après fluage sous air aux plus basses températures (650°C et 750°C), les fractographies présentent une rupture globalement transgranulaire avec certaines zones intergranulaires. Après fluage sous vide secondaire à plus hautes températures (850°C et 950°C), un fort amincissement des éprouvettes et une striction quasiment complète dans l’épaisseur ont été observés. Ce fort amincissement se traduit par un alignement de cupules, caractéristique de ruptures 100% ductiles à très haute température. / The ASTRID project aims at designing a fast-reactor prototype for the 4th generation of nuclear power plants. The material to be used for fuel cladding is a cold-worked austenitic stainless steel stabilized with titanium (15Cr-15Ni Ti type) and optimized in minor elements. This material was developed to limit recovery and irradiation-induced swelling and to improve microstructural stability and mechanical properties in normal operating conditions. In case of incidental situations (irradiation temperature > 650°C), the cladding might rapidly reach higher temperatures up to 950°C where its stability could be affected. The present work aims at improving knowledge and understanding of the microstructural evolution and creep behaviour of this steel at these temperatures (650°C-950°C).Microstructural characterizations of thermally-aged samples have been performed in order to study the effect of temperature on metallurgical evolutions (precipitation, recovery and recrystallization). A phenomenological model including recovery and recrystallization processes was set up to reproduce hardness measurements versus ageing time and temperatures.Isothermal creep tests up to 950°C under a wide range of stress levels allowed investigation of viscoplastic flow, microstructural evolution under stress and damage/failure processes. In order to evaluate the effect of high-temperature loading, microstructural characteristics of stress-free thermally-aged samples were compared with post-mortem examinations of creep specimens.At 650°C and 750°C the value of stress exponent is higher than 7. The main deformation mechanism during creep test is power-low creep, which is consistent with the results found in the literature.Beyond 850°C, the increase in dislocation mobility promotes recovery and recrystallization processes. As a consequence, a competition between work hardening due to viscoplastic deformation and softening due to dynamic recovery takes place. At 950°C, viscoplastic flow is strongly affected by recrystallization during creep test, especially in the tertiary stage. The comparison between microstructures of crept specimens and stress-free, thermally-aged samples leads to the conclusion that the recrystallization kinetics is accelerated by application of a mechanical loading.As for the fracture behaviour, creep tests under air environment at lower temperatures (650°C-750°C), led to predominating ductile fracture but some intergranular zones were observed on fracture surfaces. Creep tests under high vacuum at higher temperatures (850°C-950°C) lead to a high fracture elongation with a reduction of area up to 100%.