Le vieillissement statique est un concept important dans la métallurgie qui se réfère à un durcissement de la matière ayant subi une déformation plastique et est ensuite vieilli pendant une certaine période de temps. La théorie proposée dans les années 1940 par Cottrell et Bilby explique ce phénomène comme étant causé par l'épinglage des dislocations par les impuretés (par exemple, les atomes de carbone en solution solide) qui migrent au voisinage du défaut de ligne. Au cours de ce travail de thèse, le mécanisme atomistique responsable du phénomène du vieillissement statique dans le fer alpha a été étudié par des simulations numériques. Etant donné que la diffusion à l'état solide se déroule lentement, l'utilisation de la dynamique moléculaire à basse température (lorsque l'effet du champ de contraintes sur la dislocation de diffusion du carbone est plus prononcé) a été évitée, et nous avons utilisé préférentiellement le couplage de la statique moléculaire avec le Monte-Carlo cinétique atomistique. Trois points principaux ont été abordés dans cette thèse: (i) l'effet du champ de contraintes d'une dislocation coin ou vis sur un atome de carbone qui diffuse à proximité, (ii) la diffusion de l'atome de carbone dans le cour de la dislocation («pipe diffusion»), et (iii) la distribution d'équilibre des atomes de carbone dans une atmosphère de Cottrell. Le principal effet du champ de contrainte de la dislocation à l'extérieur du coeur est de biaiser la diffusion de l'impurité, de sorte que certains sauts (transitions) deviennent plus probables que d'autres. Cet effet va conduire aux premiers stades de la formation de l'atmosphère de Cottrell, lorsque l'interaction mutuelle entre atomes de carbone est négligeable. Au cœur de la dislocation, comme prévu, nos résultats indiquent que le carbone diffuse plus vite que dans le volume. La concentration de carbone dans le voisinage d'une dislocation coin ou vis a été modélisée par une approche de physique statistique en utilisant les énergies de liaison calculées par la statique moléculaire. Cette approche est en bon accord avec les données expérimentales. / Static strain aging is an important concept in metalurgy that refers to the hardening of a material that has undergone plastic deformation and then is aged for a certain period of time. A theory proposed in the late 1940s by Cottrell and Bilby explains this phenomenon as being caused by the pinning of dislocations by impurities (e.g., carbon atoms in solid solution) that migrate to the vicinity of the line defect. In the course of this PhD work, the atomistic mechanism behind the static strain aging phenomenon in bcc iron has been studied by means of computer simulations. Given the fact that diffusion in the solid state proceeds slowly, thus preventing the use of molecular dynamics at low temperatures (when the effect of the dislocation stress field on carbon diffusion is more pronounced), we have preferentially employed a method coupling molecular statics with atomistic kinetic Monte Carlo. Three major points have been addressed by this thesis: (i) the effect of the stress field of an edge or screw dislocation on a carbon atom diffusing nearby; (ii) the diffusion of a carbon atom in the tight channel found in the dislocation core (pipe diffusion); and (iii) the equilibrium carbon distribution in a Cottrell atmosphere. The main effect of the dislocation stress field outside the dislocation core consists of biasing carbon diffusion, such that some transitions become more likely than others. This effect is expected to drive the early stages of Cottrell atmosphere formation, when the mutual interaction between carbon atoms is negligible. Right in the dislocation core, as expected, carbon was seen to diffuse faster than in the bulk. Carbon concentration in the neighborhood of an edge or a screw dislocation was modeled by an approach based in statistical physics using the binding energies calculated by molecular statics, revealing a good agreement with experimental data obtained by atom probe techniques.

L'objectif de cette thèse est d’approfondir la compréhension des relations entre la croissance anormale des grains austénitiques et l'état de précipitation dans un acier faiblement allié. La croissance anormale est le grossissement excessif d’un petit nombre de grains conduisant à une détérioration des propriétés mécaniques. La distribution de taille des grains d'austénite, la fraction volumique de précipités et l'évolution de leur distribution de taille ont étés expérimentalement caractérisés pour différents traitements thermiques et pour deux aciers industriels (acier A et acier B). La modélisation a été réalisée en deux étapes : modélisation de l’état de précipitation et modélisation de la croissance anormale/normale des grains. Les résultats de la modélisation ont étés comparés aux résultats expérimentaux. Le modèle de croissance des grains est basé sur l’hypothèse que la croissance des grains est régie par la diminution de l'énergie d’interface. Les précipités créent une force d’ancrage conventionnelle de Zener ainsi qu’une force d’ancrage de joints de grains, qui retardent la croissance de grains. Le modèle de précipitation est basé sur les théories classiques de nucléation et de croissance (CNGTs). Si la taille des grains austénitiques est supérieure à 3µm, l’hypothèse d’une précipitation homogène permet d’obtenir un bon accord entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux (distribution de taille de précipités, fraction volumique). Si la taille des grains est inférieure à 3µm, la présence de précipitation hétérogène a été prise en compte. Le modèle de précipitation a été couplé par deux approches différentes au modèle de croissance de grains ; un couplage ‘doux’ et un couplage ‘ dur’. Ces deux approches ont permis de faire la lumière sur les différents paramètres physiques qui contrôlent la croissance de grains pour un état structural donné. Une bonne prédiction du mode de croissance (normale ou anormale) a été obtenue. Le couplage dynamique a permis de tracer une représentation temps/température claire du mode de croissance des grains. Il a été montré que si la croissance anormale des grains d’austénite dépend fortement de l’état initial de précipitation ainsi que de la taille initiale des grains, l’évolution de la fraction volumique des précipités lors du traitement thermique joue un rôle prépondérant sur le mode de croissance. Les résultats de cette étude ont permis d’expliquer l’influence de l’état de précipitation et de la taille des grains sur la croissance anormale. / The objective of this thesis is to further understand the austenite Abnormal Grain Growth (AGG) phenomenon in relation with precipitation state in a low alloy steel. The abnormal grain growth is addressed from both experimental and numerical modeling point of view. Prior austenite grain size distribution, precipitation volume fraction and size distribution evolution of the different heat treated states are experimentally determined for two different industrial alloys (steel-A and steel-B) in different heat treated states and experimental results are compared with model predictions. A two-step modeling technique is adopted in this study: precipitation modeling and abnormal/normal grain growth modeling. The abnormal/normal grain growth modeling is done using a simplified analytical model where the grain growth is assumed to be driven by the decrease in interfacial energy. Both the conventional Zener pinning and corner pinning by precipitate is considered as boundary movement retarding forces. The precipitation model is based on the Classical Nucleation and Growth Theories. The assumption of homogeneous precipitate nucleation and growth gave a good prediction of volume fraction, mean radius and size distribution in comparison with the experimental results. Two coupled modeling approaches of abnormal grain growth and precipitation model: ①Soft coupling and ②Dynamic coupling; shed light on the different physical parameters controlling the grain growth condition in a particular material’s state. A reasonable prediction of AGG and NGG is obtained from both approaches. The dynamic coupled modeling enabled us to paint a comprehensive time-temperature mechanism map of grain growth conditions. It is found that AGG in the austenitic state depends strongly on the initial grain size distribution and precipitation state. The modeling and the experimental results showed that the precipitation state evolution (increasing or decreasing volume fraction) also impact normal/abnormal grain growth. Plausible explanations in relation with the mean austenite grain size and the precipitation state are derived for the AGG phenomenon from the present work.

Les aciers inoxydables austénitiques sont très utilisés dans l’industrie nucléaire comme structure interne. Ces structures se retrouvent en grande majorité dans la cuve du réacteur et, du fait de leur proximité avec les assemblages combustibles, sont soumis à de rudes conditions d’utilisation. Ces éléments sont donc exposés à des doses d’irradiation élevées et peuvent atteindre 100 dpa après 40 ans d’utilisation, à une température proche de 350°C. Ces conditions d’utilisation modifient la microstructure de l’acier et son comportement mécanique, ce qui entraîne une dégradation de leurs propriétés mécaniques et de leur résistance à la corrosion. L’objectif de cette thèse est d’établir à l’échelle atomique une loi de comportement décrivant le déplacement d’une dislocation coin dans une solution solide Fe-Ni10-Cr20, d’apporter une compréhension des mécanismes d’interaction entre une dislocation coin et une boucle de Frank et d’investiguer l’effet de la température, du générateur aléatoire d’alliage, de l’orientation et du diamètre de la boucle sur la contrainte mécanique. Pour atteindre ces objectifs, des simulations en dynamique moléculaire sont réalisées, basées sur potentiel FeNiCr récemment développé pour imiter le comportement de l’acier austénitique inoxydable. Les simulations sont réalisées en conditions statiques, à 300 K, 600 K et 900 K et les interactions effectuées pour des tailles de boucle de Frank de 2 nm et 10 nm. nous proposons une loi de comportement où sont incluses la température et la vitesse de déformation; l’interaction entre la dislocation coin et la boucle de Frank révèle trois types de mécanismes d’interactions : le cisaillement simple, le défautement et l’absorption de la boucle. L’absorption est le mécanisme le plus stable ; Les analyses des propriétés mécaniques résultantes ont montré que le mécanisme de défautement requiert la contrainte la plus élevée pour que la dislocation franchisse l’obstacle. D’autre part, contrairement aux études précédentes, le défautement de la surface de la boucle n’a lieu que lorsque celle-ci entre en contact avec la dislocation coin ; dans le cas de la boucle de Frank de 2 nm, la corrélation entre la probabilité du mécanisme d’interaction et la force moyenne de l’obstacle constitue des données utiles pour les simulations en Dynamique des Dislocations. Les observations des configurations résultantes de la boucle de Frank suite à l’interaction avec la dislocation permettent de justifier l’apparition de bandes claires observées au MET. Ce travail a été partiellement soutenu par la Commission européenne FP7 par le numéro de subvention 232612 dans le cadre du projet PERFORM 60. / Austenitic stainless steels are widely used in the nuclear industry as internals. These structures reside mainly in the reactor vessel and, due to their proximity with fuel assemblies, are subjected to severe operating conditions. These elements are exposed to high irradiation doses which can reach 100 dpa after 40 years of operating, at a temperature close to 350°C. These operating conditions affect the microstructure of steels and their mechanical behavior, which leads to the deterioration of their mechanical properties and their corrosion resistance. The objective of this PhD research work is to establish at the atomic scale a constitutive law describing the edge dislocation motion in a random Fe-Ni10-Cr20 solid solute solution, to bring a comprehensive understanding of the interaction mechanism between the edge dislocation and the Frank loops and to investigate the effect of temperature, alloying random generator, orientation and size of the Frank loop on the mechanical stress. To achieve these objectives, molecular dynamics simulations were conducted with a recently developed FeNiCr potential used to mimic the behavior of austenitic stainless steels. These simulations have been performed in static conditions as well as at 300 K, 600 K and 900 K and the interactions realized for loop sizes of 2nm and 10nm. A constitutive law taking into account the temperature and strain rate is proposed; the interaction between the edge dislocation and the Frank loop revealed 3 kinds of interaction mechanisms: simple shearing, unfaulting and absorption of the loop. Absorption is the most stable mechanism; the analyses of the resulting mechanical properties have shown that the unfaulting mechanism requires the highest stress to make the dislocation overcome the obstacle. On the other hand, contrary to previous studies, the unfaulting of the loop surface occurs only when the dislocation comes into contact with the edge dislocation; for the 2 nm Frank loop size, the coupling between the probability of the outcome of the reaction and the average strength of the obstacle constitutes useful data for Dislocation Dynamics simulations. The observations of the resulting Frank loop configurations following the interaction with the dislocation allow justifying the emergence of clear bands observed in TEM. This work has been partially supported by the European Commission FP7 with the grant number 232612 as part of the PERFORM 60 project.

Ce mémoire présente une méthode visant à mettre en évidence l’influence de l’intégrité de surface obtenue en tournage, sur la fatigue de l’acier 15-5PH. Le travail réalisé consiste à développer des moyens d’obtention de surfaces à intégrités maitrisées, puis à réaliser des essais de fatigue pour observer l’influence des paramètres d’intégrité. Les procédés de tournage et de galetage sont utilisés pour obtenir des lots d’éprouvettes possédant différentes intégrités de surfaces. Ces éprouvettes sont ensuite toutes caractérisées, en rugosité et contraintes résiduelles, de manières non destructives. Certaines éprouvettes font l’objet d’analyses complémentaires pour caractériser l’état de la matière sous la surface. Ces analyses permettent de constituer des lots d’éprouvettes possédant des caractéristiques de surfaces très proches. Toutefois, il a été mis en évidence une très grande sensibilité de l’intégrité de surface générée, vis-à-vis du diamètre de la pièce usinée, ce qui se traduit par une dispersion importante des intégrités de surface obtenues. Les lots constitués sont ensuite testés en fatigue sur une machine de flexion rotative (R = -1) selon la méthode Staircase. Cette méthode permet de déterminer la limite d’endurance avec 50 % de probabilité de rupture pour un nombre de cycles donné. Les résultats sont ensuite confrontés aux intégrités de surface des lots pour déterminer les caractéristiques les plus influentes. Une comparaison des données expérimentales est réalisée avec les modèles de la littérature. Il est montré que ces modèles ne parviennent pas à décrire de manière satisfaisante le comportement en fatigue vis à vis de la rugosité ou du niveau de contraintes résiduelles. L’analyse de ces résultats montre que le profil de contraintes résiduelles, dans le cas du 15-5PH, est la caractéristique la plus influente sur la tenue en fatigue. La rugosité n’apparait pas comme un facteur d’influence notable, à l’exception des cas où les contraintes résiduelles ont un niveau très faible. Des pistes d’améliorations sont enfin suggérées pour améliorer la prise en compte de l’intégrité de surface dans le cadre d’un dimensionnement en fatigue. / This thesis aims to show a method to highlight the influence of surface integrity obtained by turning on the fatigue of a 15-5PH steel. Several ways are developped to obtain desired surface integrities, then fatigue test are performed to observe the influence of surface integrity parameters'. Turning and ball burnishing were used to achieve specimens with differents surface integrities. Theses samples are then fully characterized in term of surface roughness and residual stresses, in a non-destructive way. Some specimens are subject to further analysis to characterize the state of the material under the surfaece. These analyses are used to create batches of specimens with very close surfaces characteristics. However, it has been shown a high sensitivity of the generated surface integrity, with respect to the workpiece diameter, which result in a significant dispersion of surface integrities obtained. Batches are then tested on a rotating bending test machine (Stress ration R=-1) thanks to the Staircase method, in order to determine the fatigue limit at two billion cycle with a 50% failure probability. The results are then compared with the surface integrities in order to determine the most influencial parameter. A comparison of the experimental datas with models in the literature is performed. It is shown that models are unable to describe the fatigue behavior with respect to the roughness or the residual stress state. The results analysis shows that residual stresses profile, in the case of 15-5PH steel, is the most influencial parameter on the fatigue life. Roughness does not appears as a factor of major influence, except in cases where residual stresses have a very low level. Prospects for improvement are finaly suggested in order to improve the consideration of surface integrity during the fatigue design of parts.

Selon la théorie de Cottrell et Bilby, les dislocations à travers leur champ de contrainte interagissent avec les atomes de soluté qui s’agrègent au cœur et autour des dislocations (atmosphère de Cottrell). Ces atmosphères « bloquent » les dislocations et fragilisent le matériau. Dans cette thèse, les techniques de simulations à l’échelle atomique telles que la Dynamique Moléculaire, les simulations Monte Carlo Cinétique, Monte Carlo Métropolis ont été développées qui permettent de prendre en compte les interactions entre plusieurs centaines d’atomes de carbone et la dislocation, pour étudier la cinétique de formation ainsi que la structure d’une atmosphère de Cottrell. Par ailleurs, la technique de simulation est appliquée à deux autres problématiques: premièrement, il est connu que les atomes de C dans la ferrite se mettent en ordre (mise en ordre de Zener). La stabilité de cette phase est étudiée en fonction de la température et la concentration de C. Deuxièmement, la ségrégation des atomes de soluté dans les nano-cristaux de Ni ainsi que la stabilité des nano-cristaux avec les atomes de soluté dans les joints de grain à haute température est étudiée. / The objective of the thesis was to understand the microscopic features at the origin of ageing in metals. The originality of this contribution was the com- bination of three complementary computational techniques : (1) Metropolis Monte Carlo (MMC), (2) Atomic Kinetic Monte Carlo (AKMC), and, (3) Molecular Dynamics (MD). It consisted of four main sections : Firstly the ordering occurring in bulk alpha-iron via MMC and MD was studied. Various carbon contents and temperatures were investigated in order to obtain a “phase diagram”. Secondly, the generation of systems containing a dislocation interacting with many carbon atoms, namely a Cottrell Atmosphere, with MMC technique was described. The equilibrium structure of the atmosphere and the stress field around the atmospheres proves that the stress field around the dislocation was affected but not cancelled out by the atmosphere. Thirdly, the kinetics of the carbon migration and Cottrell atmosphere evolution were investigated via AKMC. The activation energies for carbon atom migration were calculated from the local stress field and the arrangement of the neigh- bouring carbon atoms. Lastly, an application of the combined use of MMC and MD to describe grain boundary segregation of solute atoms in fcc nickel was presented. The grain growth was inhibited due to the solute atoms in the grain boundary.

Les aciers Dual-Phase (DP) sont des aciers à très haute résistance mécanique (AHSS) fortement utilisés pour des applications automobiles en raison de leur très bon compromis résistance mécanique/ductilité ainsi que par leur habilité à répondre aux multiples exigences industrielles (bas prix, assemblage, revêtement etc.). A l'heure actuelle, le développement d'aciers DP apparait durable pour la caisse-en-blanc des structures automobiles. La microstructure ferrite-martensite, caractéristique des aciers DP, est obtenue par un traitement thermique complexe composé de différentes étapes au cours desquelles différents mécanismes métallurgiques entrent en jeux. Les principales difficultés de production sont liées au fait (i)que les évolutions microstructurales sont influencées par les différents paramètres de traitement thermique (vitesse de chauffe, température ...), (ii) que les différentes étapes de traitement sont interconnectées et que (iii) les évolutions microstructurales peuvent se chevaucher et, part conséquent, interagir entre elles. Ces travaux de thèse ont pour objectif d'améliorer la compréhension des évolutions métallurgiques entrant en jeux lors des traitements thermiques des aciers DP, et notamment d'améliorer la compréhension de l'influence des paramètres de traitement. Les différentes évolutions métallurgiques ont été, dans un premier temps, caractérisées en couplant un ensemble de techniques expérimentales (dilatométrie, dureté, TPE ...) et grâce à un protocole assurant de décorréler les mécanismes se superposant et interconnectés. A titre d'exemple, les deux principaux mécanismes entrant en jeux lors de l'étape de recuit intercritique ont été, dans un premier temps, étudiés séparément ((1) la recristallisation a été étudié en dessous de la température de formation d'austénite et (2) la formation d'austénite a été étudié sur un acier pré-recristallisé) avant de se concentrer sur le cas des aciers laminés à froid où la recristallisation et formation d'austénite se superposent. Le projet avait également pour objectif de développer des outils de prédictions permettant de décrire les évolutions microstructurales basés sur des approches empiriques (loi de JMAK) ainsi que vers des modèles à base plus physique (mixed-mode modèle et modèle diffusif). Une attention particulière a été dédié à discuter de la fiabilité, l'adaptabilité, des forces et limitations des différentes approches développées. / Dual-Phase steels (DP) are one of the most used Advanced High Strength Steels (AHSS) for automotive applications because they present good strength/ductility compromise and they adapt to number of industrial constraints (low price, shaping, welding, coating etc.). Nowadays, the development of DP steels seems to be promising and sustainable for the body-in-white structure. The typical ferrite-martensite microstructure, characteristic of DP steels, are obtained by a thermal treatment composed of different stages during which metallurgical evolutions occur. Major difficulties of their processing are due to the fact that (i) microstructural evolution kinetics are influenced by cycle parameters (heating rate, annealing temperature etc.), (ii) different stages are interconnected and (iii) some microstructural evolutions may overlap and, therefore, interact. This PhD-work aimed at getting a better understanding of microstructural evolutions during the thermal cycle of DP steel and, namely, the influence of cycle parameters. Different microstructural evolutions occurring during the thermal cycle were first characterized coupling different experimental techniques (dilatometry, hardness, TPE etc.) and with a particular protocol in order to decorrelate overlapping and interconnected phenomena. As example, two major evolutions occurring during the intercritical annealing were first studied individually ((1) recrystallization was investigated below austenite formation temperature and (2) austenite formation was investigated on prior recrystallized steels) before investigated cold-rolled steel case where recrystallization and austenite formation overlap. The study was then attached to develop some predictive tools to describe microstructural evolutions based on phenomenological approaches (JMAK law) towards more physical based models (mixed-mode, diffusive models). A particular care was attached to discuss on model reliability, versatility, strengths and limitations.

Les Piles À Combustible Microbiennes (PACMs) permettent de convertir directement en électricité une partie de l'énergie contenue dans des substrats biodégradables et ce, grâce à la formation d'un biofilm électroactif à la surface de leur anode. Solutions de grapillage énergétique d'avenir, ces systèmes bioélectrochimiques pourraient ainsi, à titre d'exemple, servir à l'alimentation autonome de capteurs en zone isolée ou être plus généralement implantés au sein de stations d'épuration. Néanmoins, après maintenant une vingtaine d'années de développement, les performances des PACMs ont tendance à stagner. La solution fréquemment retenue pour améliorer leurs résultats est de développer de nouveaux matériaux d'anode en optimisant leur structure ou leur surface mais très souvent en négligeant les critères de longévité, de prix et de transposabilité à une échelle industrielle, essentiels pour cette application. L'objectif de cette étude est de proposer des anodes performantes, avec un procédé de fabrication simple, bon marché et stables dans le temps. Constituées de monofilaments d'acier inoxydable 304L enchevêtrés, les anodes que nous développons ont été dans un premier temps caractérisées mécaniquement (par compression œdométrique) et d'un point de vue microstructural (par tomographie à rayons X). Puis, leur intégration au sein de prototypes de PACMs inoculés avec des boues activées a permis de mesurer l'influence de divers paramètres architecturaux de la pile (distance inter-électrodes, surface d’électrodes, ...) et de l'anode (taille de pores, diamètre de fil, ...) sur les performances électriques, avec comme objectif principal de maximiser leur surface spécifique tout en limitant leur colmatage. Des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique ont également été réalisées afin d'étudier plus en détail les différents phénomènes électrochimiques entrant en jeu. Ces anodes 3D inédites s'avèrent prometteuses car elles ont permis d'obtenir des densités de puissance de l'ordre de 200 mW/m² avec un coût d'électrode, comparativement à la littérature, considérablement diminué. / Microbial Fuel Cells (MFCs) allow a portion of the energy contained in biodegradable substrates to be converted directly into electricity through the formation of an electroactive biofilm on the surface of their anode. Future energy harvesting solutions, these bioelectrochemical systems could thus, for example, be used for the autonomous power supply of sensors in isolated zone or be more generally located within wastewater treatment plants. Nevertheless, after about twenty years of development, the performances of PACMs tend to stagnate. The solution frequently used to improve their results is to develop new anode materials by optimizing their structure or their surface but very often neglecting the criteria of longevity, price and transferability on an industrial scale, essential for this application. The objective of this study is to propose efficient anodes, with a simple manufacturing process, cheap and stable over time. Consisting of entangled 304L stainless steel monofilaments, the anodes we develop were initially characterized mechanically (by odometric compression) and from a microstructural point of view (by X-ray tomography). Then, their integration into prototypes of MFCs inoculated with activated sludge made it possible to measure the influence of various architectural parameters of the fuel cell (distance between electrodes, electrode surface, ...) and of the anode ( pore size, wire diameter, ...) on electrical performance, with the main objective of maximizing their specific surface area while limiting their clogging. Electrochemical impedance spectroscopy measurements were also carried out in order to study in more detail the different electrochemical phenomena involved. These innovative 3D anodes are promising because they have made it possible to obtain power densities of the order of 200 mW / m² with an electrode cost, compared to the literature, considerably reduced.

Les aciers TWIP (TWinning Induced Plasticity) à haute teneur en manganèse sont particulièrement prometteurs pour les applications automobiles de par leur excellent compromis entre résistance mécanique et ductilité. Cependant, la microstructure austénitique leur confère une sensibilité à la fragilisation par le zinc liquide durant les procédés de soudage ; le zinc liquide provenant de la fusion du revêtement résultant de l’élévation de température à la surface de l’acier. Dans cette étude, la fissuration d’un acier austénitique à haute teneur en manganèse a été étudiée en rapport avec le phénomène de fragilisation par les métaux liquides par des essais de traction à chaud réalisés sur des éprouvettes électrozinguées au moyen d’un simulateur thermomécanique Gleeble 3500. L’influence de nombreux paramètres tels que la température et la vitesse de déformation sur la fissuration a été étudiée. La fragilisation apparaît dans un domaine de température limité qui dépend des conditions expérimentales. Les conditions pour lesquelles la fissuration apparaît peuvent être rencontrées durant les procédés de soudage. L’existence d’une contrainte critique pour laquelle la fissuration apparait a été mise en évidence et celle-ci peut être utilisée comme critère de fissuration. Enfin, l’étude de l’influence de différents paramètres tels que le temps de contact entre l’acier et le zinc liquide avant l’application des contraintes, le revêtement et l’acier sur l’apparition de la fragilisation apporte des éléments de compréhension du mécanisme de fissuration et permet de proposer des solutions pour éviter la fissuration durant le soudage par point de l’acier étudié. / High manganese TWIP (TWinning Induced Plasticity) steels are particularly attractive for automotive applications because of their exceptional properties of strength combined with an excellent ductility. However, as austenitic steels, they appear to be sensitive to liquid zinc embrittlement during welding, the liquid zinc arising from the melted coating due to the high temperatures reached during the welding process. In this framework, the cracking behaviour of a high manganese austenitic steel has been investigated in relation to the liquid metal embrittlement (LME) phenomenon by hot tensile tests carried out on electro-galvanized specimens using a Gleeble 3500 thermomechanical simulator. The influence of different parameters such as temperature and strain rate on cracking behaviour has been studied. Embrittlement appears within a limited range of temperature depending on experimental conditions. Conditions for which cracking occurs could be experienced during welding processes. The existence of a critical stress above which cracking appears has been evidenced and this critical stress can be used as a cracking criterion. Finally, the study of the influence of different parameters such as time of contact between steel and liquid zinc before stress application, coating and steel on LME occurrence provides understanding elements of LME mechanism and permits to suggest solutions for preventing cracking during spot welding of such steels.

Dans le cadre du développement de nuances d’aciers toujours plus performantes en termes de résistance à l’effort et à l’endommagement, les aciers Dual-Phase (DP) présentent un bon compromis résistance/ductilité. Cependant, il est nécessaire de disposer de meilleures connaissances concernant les mécanismes menant à la rupture de tels aciers. Les mécanismes d’endommagement ont ainsi été étudiés dans cette thèse à l’aide de la tomographie aux rayons X. Des essais de traction in-situ ont été réalisés sur plusieurs nuances d’aciers DP, un acier ferritique et un acier martensitique afin de caractériser chaque étape de l’endommagement ductile. Des observations qualitatives et des données quantitatives concernant la germination de l’endommagement, la croissance des cavités et la coalescence ont été recueillies lors de ces essais. Ces données quantitatives ont ensuite été utilisées pour le développement et/ou la validation de modèles d’endommagement. Une prédiction de la cinétique de germination a ainsi été proposée et la version du modèle de croissance de cavités de Rice et Tracey corrigée par Huang et prenant mieux en compte l’effet de la triaxialité a été validée expérimentalement. L’étape de coalescence des cavités menant à la rupture des matériaux a pour la première fois été caractérisée de façon quantitative dans un matériau industriel et des critères de coalescence ont été appliqués localement sur les couples de cavités présentes dans le matériau. L’utilisation de ces modèles analytiques a permis une meilleure compréhension des propriétés agissant sur les phénomènes mis en jeu. L’effet de la part cinématique de l’écrouissage sur la germination et la croissance de l’endommagement a notamment été souligné et validé par des essais de chargements complexes. / As part of the current context of requiring ever more efficient grades of steels in terms of resistance to stress and to damage, the Dual-Phase steels (DP) present an acceptable strength/ductility compromise. It is nevertheless necessary to have a better understanding of the mechanisms leading to the fracture of such steels. Damage mechanisms were studied in this PhD using X-ray tomography. In-situ tensile tests were carried out on several grades of DP steel, a ferritic steel and a martensitic steel in order to characterize each step of ductile damage. Qualitative observations and quantitative data on the nucleation of damage, the void growth and the coalescence of cavities were collected during these tests. This quantitative data was then used for the development and/or the validation of damage models. A prediction of the kinetic of nucleation was proposed and the Huang’s correction of the void growth model of Rice and Tracey accounting for the triaxiality was experimentally validated. For the first time, the step of void coalescence leading to fracture of materials was quantitatively characterized in an industrial material and coalescence criteria were locally applied on couples of neighboring cavities present in the studied specimen. The use of analytical models enabled a better understanding of the properties influencing the studied damage phenomena. The effect of the kinematic part of the strain hardening on void nucleation and void growth was notably emphasized and validated by performing complex loading tests.

Ce travail porte sur l’étude du comportement d’un acier inoxydable (matériau passivable) en situation de tribocorrosion. L’accent a été mis sur l’effet de synergie existant entre la sollicitation mécanique et l’électrochimie du milieu, conduisant à une usure significative. Dans un premier temps, une méthodologie a été mise en place, sur une microstructure ferritique, pour quantifier cette synergie et ses deux composantes que sont l’électrochimie accélérée par l’usure (E.A.U.) et l’usure accélérée par l’électrochimie (U.A.E.). La première représente la dissolution du matériau consécutive à l’action mécanique du pion sur la surface. La seconde rend compte des modifications des propriétés mécaniques de la surface induites par l’électrochimie. Les paramètres de la sollicitation mécanique étant tout d’abord fixés, l’évolution des composantes de l’effet de synergie a été étudiée en fonction du caractère oxydant d’un milieu acide, modifié à l’aide d’un potentiostat. Un minimum d’usure, déterminé sous polarisation cathodique est considéré comme l’usure mécanique de référence. Dans le domaine passif, pour des potentiels passifs croissants, l’U.A.E. diminue suite à un épaississement de la partie oxyde du film passif, renforçant les propriétés mécaniques de la surface. A l’inverse, l’augmentation de l’E.A.U. s’explique par une intensité supérieure des réactions d’oxydation sur la surface mise à nu au cours du frottement. Ceci conduit à une usure maximale pour un potentiel passif intermédiaire. L’évolution des composantes de l’effet de synergie a ensuite été investiguée en potentiel libre sous les influences croisées de l’acidité du milieu et du temps de latence. L’E.A.U. augmente avec l’acidité en lien avec une dissolution plus prononcée mais diminue pour un temps de latence plus court suite à la diminution du couplage galvanique entre la trace d’usure partiellement repassivée et la zone cathodique. La diminution du temps de latence limite la maturation du film passif. En milieu acide, l’U.A.E. ne diminue pas car le film passif, majoritairement constitué d’oxyde, conserve son caractère abrasif. A l’inverse en milieu neutre, la proportion d’hydroxyde étant alors majoritaire, l’U.A.E. diminue. Dans un second temps, l’influence de la microstructure sur le comportement à la tribocorrosion a été mise en évidence en fonction des paramètres étudiés précédemment. Après traitement thermique, l’acier inoxydable présente une microstructure ferrito martensitique. En considérant l’usure totale, l’effet de la microstructure apparait négligeable sur la tenue à la tribocorrosion en potentiel libre, dans les conditions étudiées. Le biphasage est par contre bénéfique lorsque le frottement se déroule sous potentiels cathodiques ou passifs grâce à un transfert d’effort de la martensite à la ferrite sous-jacente. De même, l’effet délétère du film passif sur les propriétés mécaniques de la surface est réduit lorsque la microstructure comporte une phase dure (U.A.E.). / This study deals with the behaviour of a stainless steel (passive material) undergoing tribocorrosion. Focus has been put on the synergistic effect existing between mechanical action and medium electrochemistry, leading to significant wear. In a first step, a methodology has been set up, on a ferritic microstructure, to quantify this synergy as well as its two compounds that are the wear-accelerated electrochemistry (W.A.E.) electrochemistry-accelerated wear (E.A.W.). The former stands for the material dissolution following the mechanical action of the pin on the surface. The latter accounts for the modifications of the surface mechanical properties induced by electrochemistry. The parameters of the mechanical action being set, the evolution of the synergistic effect compounds has been studied as a function of the oxidizing feature of an acidic medium, modified by using a potentiostat. A minimum of wear, determined under cathodic polarisation is considered as the reference mechanical wear. In the passive domain, for higher passive potentials, E.A.W. decreases due to the thickening of the oxide part of the passive film, enhancing the mechanical properties of the surface. On the contrary, the W.A.E. increase is explained by more intense oxidising reactions occurring on the bare material revealed to the electrolyte by sliding. This leads to a maximum wear obtained at an intermediate passive potential. The evolution of the synergistic effect compounds has then been investigated under free potential condition with crossed influences of the medium acidity and the latency period. The more acidic the medium, the greater the W.A.E. because dissolution is enhanced. However, it decreases with a shorter latency period because of a weaker galvanic coupling between the partially repassivated wear track and the cathodic surface. The latency period decrease limits the passive film maturation. In acidic medium, E.A.W. does not decrease because the passive film, mainly composed of oxide, keeps its abrasive feature. To the opposite, in neutral medium, the hydroxide proportion being majority, E.A.W. decreases. In a second step, the microstructure influence on the tribocorrosion behaviour has been evidenced as a function of the previously studied parameters. After a thermal treatment, the stainless steel shows a ferrite-martensite microstructure. Considering global wear, the microstructure effect appears to be negligible on the tribocorrosion resistance in free potential situation, under the studied conditions. On the contrary, a two-phase microstructure is beneficial when sliding is performed under cathodic or passive potentials thanks to a mechanical transfer occurring from the martensite to the underlying ferrite. Moreover, the detrimental effect of the passive film on the surface mechanical properties is reduced when the microstructure involves an hard phase (E.A.W.).