La corrosion sous contrainte par l’iode (CSC-I) est l’un des mécanismes de rupture potentiels des crayons combustibles en alliage de zirconium, pouvant intervenir au cours des transitoires de puissance des réacteurs nucléaires. La fissuration par CSC-I comporte trois étapes : amorçage de la fissure, développement intergranulaire puis propagation transgranulaire. Le but du travail est d’identifier des paramètres critiques gouvernant les transitions entre ces différentes étapes. En premier lieu, des essais sur des éprouvettes en Zircaloy présentant des finitions de surface et des états métallurgiques variés permettent de discriminer l’influence de différents paramètres sur l’amorçage des fissures. Nous mettons en évidence le rôle critique du niveau des contraintes résiduelles, de leur répartition en surface ainsi que de leur profil au sein du matériau. La sensibilité des alliages à l’amorçage des fissures n’est pas directement corrélée à la rugosité de la surface. Cependant, la dispersion des paramètres de rugosité traduit l’irrégularité du profil, l’hétérogénéité du niveau des contraintes résiduelles, et donc l’existence de zones où les contraintes résiduelles sont localement moins protectrices. Dans un second temps, des éprouvettes de Zircaloy-4 possédant différents états d’écrouissage sont sollicitées sous charge constante, en présence de méthanol iodé. Les modifications microstructurales induites par l’écrouissage favorisent l’apparition de la propagation transgranulaire des fissures de CSC-I. Des observations des faciès de rupture en MET révèlent que la transition inter/transgranulaire intervient dans des zones où les grains sont fortement désorientés les uns par rapport aux autres, suite à l’augmentation des contraintes locales résultant des incompatibilités de déformation grain à grain. / Iodine-induced stress corrosion cracking (I-SCC) is one of the potential failure modes of zirconium alloy fuel claddings during power transients in nuclear reactors. I-SCC failures are usually described in three steps: initiation of cracks, intergranular development and transgranular propagation. The objective of this work is to identify critical parameters controlling transitions between crack propagation modes. First of all, experiments conducted on Zircaloy samples with various surface conditions and metallurgical states lead to discriminate the influence of several parameters responsible for cracks initiation. The critical role of residual stresses level, their distribution at the subsurface and their evolution in the bulk of the material is evidenced. Sensitivity to I-SSC is not directly correlated to surface roughness. However, dispersion in roughness parameters indicates the presence of surface irregularities, heterogeneities of residual stresses and the existence of surface areas where residual stresses are less protective. In a second step, Zircaloy-4 samples with various strain-hardening pre-treatments are submitted to constant load tests in an iodine methanol solution. Microstructural modifications induced by a strain-hardening pre-treatment enhance transgranular propagation of I-SCC cracks. TEM observations of fracture surfaces show that the intergranular to transgranular crack transition takes place preferentially where the relative crystallographic orientation is large between two adjacent grains, because of local stress concentrations resulting from strain incompatibilities between neighbouring grains.

Cette étude fondamentale est dédiée à la compréhension de l’influence de la composition chimique, notamment la teneur en chrome, des alliages base de nickel sur leur mécanismes de corrosion et d’oxydation. La corrosion sous contrainte intergranular (CSCIG) est un mode de dégradation qui affecte de nombreux alliages au sein des réacteurs à eau pressurisé. En particulier, les alliages base nickel tubes des générateur de vapeur (GV). La sensibilité à la CSC est désormais dépend de la teneur en chrome, ce qui a conduit au remplacement de l’alliage 600 (Ni-16Cr-9Fe) par l’alliage 690 (Ni-30Cr-9Fe). Cependant le bon comportement de l’alliage 690 en termes de résistance à la corrosion restes mal défini. L’objective de cette thèse est double : i) déterminer l’effet de la teneur en chrome, ii) contribuer à la compréhension de l’effet de fer étant un élément d’addition sur la résistance à la corrosion et l’oxydation généralisée des alliages base nickel en milieu primaire assimilé et en vapeur surchauffée à 700°C. Par ailleurs, des analyses électrochimiques pertinentes dans la température ambiante ont été mené afin d’établir une corrélation entre les propriétés physiques de film passive susceptible de protéger le matériau et de la teneur en chrome. Des alliages modèles binaires Ni-Cr, à teneur de chrome varie entre 14 et 30 % en poids, des alliages ternaires Ni-Cr-8Fe et l’alliage 600 ont été étudies. L’aspect expérimental de cette étude repose sur des techniques conventionnelles: SEM, STEM, EDX, Potentiodynamique, EIS, Chronoamperometrie, Mott-Schottky. La cinétique d’oxydation en vapeur surchauffée a été déterminée en mesurant l’apport de masse. L’impact de l’état de surface sur le processus de la corrosion et l’oxydation a été mis en évidence. Les polissages miroir et électrochimique ont été réalisés afin de découpler l’effet de l’écrouissage développé en subsurface, induit par la préparation de surface, et la composition chimique de l’alliage. La teneur en chrome limite à partir de laquelle l’alliage a un comportement satisfaisant en corrosion a été déterminé à 20% dans le milieu primaire. Cependant les analyses électrochimiques ont décelé l’existence d’une teneur en chrome optimal à 26%. La cinétique d’oxydation des alliages modèles ainsi que la morphologie des oxydes formés sur ces matériaux dans le milieu vapeur surchauffée ont indiqué l’existence d’une teneur en chrome optimal à 24%. Une dégradation des propriétés des films d’oxydes a été observée en augmentant la teneur en chrome au-dessus de l’optimum. En résumé, ce travail se préoccupe de l’optimisation de la teneur en chrome, méthode plus adéquate, pour l’amélioration de la résistance à la corrosion et l’oxydation des alliages base nickel. / This fundamental study is focused on the understanding of the influence of the chemical composition of Ni-based alloys on their corrosion and oxidation mechanisms. This work is not dedicated for a particular application. It is well known for instance that Ni-based alloys are susceptible to intergranular stress corrosion cracking (IGSCC) in primary water. Thus, Alloy600 (Ni-16Cr-9Fe), used in steam generator (SG) tubing, was replaced by higher chromium content material Alloy690 (Ni-30Cr-9Fe). This later shows a better resistance to IGSCC which may be linked to the growth of more protective oxide layer as chromium content is increased to 30 wt.%. The main goal of this study is to investigate: i) the influence of chromium content, ii) impact of iron addition on the corrosion and oxidation resistance of Ni-based alloys in primary water and superheated steam at 700°C. Furthermore, analytical approach in acidic solution is conducted at room temperature. This allowed to establish a relationship between alloying elements and physical properties of the oxide layers. For this purpose, Ni-xCr (14 ≤ x≤ 30 wt.%), Ni-xCr-8Fe (x=14,22 and 30 wt.%) model alloys and industrial material Alloy600 have been studied. To characterize the oxide scales, conventional technics were used: SEM, STEM, EDX, Potentiodynamic, EIS, Chronoamperometry, Mott-Schottky. Furthermore, steam oxidation kinetics was evaluated by means of weight gain measurements. To uncouple the effect of surface cold-work and the chemical composition of the base metal, mirror and electro polishing were carried out. In primary water, critical chromium content (20 wt.%), which corresponds to the minimum amount of chromium required to the transition from non-protective to protective and compact Cr-oxide layer, is determined. However, the analytical approach, using electrochemical technics, at room temperature elucidated the existence of optimum chromium content (26 wt.%) in terms of corrosion resistance. In superheat steam, oxidation kinetics and oxide scale characteristics showed the existence of optimum chromium content (24 wt.%) in terms of oxidation resistance. The corrosion and oxidation resistance is degraded as chromium content was increased more than optimal amount. Iron addition (8 wt.%) had a detrimental effect on the protectivess of the resulting oxide scales. Finally, this study showed that optimizing of chromium content is more appropriate method for enhancing corrosion and oxidation resistance, that increasing chromium content to high level is not necessary beneficial to those parameters. This work provides a useful knowledge to design new alternative materials. For this purpose, more investigations should be conducted to test other parameters such as: weldability, fabricability, thermal conductivity,etc.

L’alliage L-605 est un superalliage base cobalt combinant une haute résistance et une bonne ductilité, de plus il est biocompatible et présente une bonne résistance a la corrosion. Dû a son inertie chimique dans le corps humain, ce matériau a été utilise avec succès pour fabriquer des valves cardiaques et des stents. Le contrôle de la microstructure peut influencer grandement les propriétés mécaniques : notamment un raffinement des grains est susceptible d’augmenter d’avantage la résistance et serait intéressant pour permettre de fabriquer des stents selon une architecture plus fine. L’ajustement de la distribution de taille de grains à travers le phénomène de recristallisation lors de la déformation à chaud apparait comme une solution pratique pour ajuster les propriétés mécaniques du matériau. Pour contrôler la microstructure et choisir les conditions de procédé optimales, les mécanismes mis en jeu lors de la recristallisation dynamique et l’effet des conditions de déformation sur la taille de grain doivent être compris et prévisibles par des outils théorique. Les propriétés mécaniques du matériau à haute température sont déterminées par des essais de compression à chaud. L’évolution microstructurale du matériau lors de la compression est analysée par microscopie optique et électronique (EBSD, TEM). Le phénomène de recristallisation dynamique continue est mis en évidence, et procède par nucléation de nouveaux grains aux joints de grain. La corrélation entre le comportement mécanique à chaud et l’évolution microstructurale est déterminée expérimentalement. Les conditions optimales de déformation impliquant la recristallisation dynamique sont déterminées, et la microstructure résultante est étudiée en détail. De nouveaux outils théoriques permettant de prévoir les conditions de recristallisation et d’extraire les paramètres physiques du matériau a partir des données expérimentales sont proposés. Enfin, la recristallisation dynamique est modélisée analytiquement, et permet de prédire le comportement mécanique et l’évolution de la taille de grain lors de la déformation. / Co-20Cr-15W-10Ni alloy (L-605) is a cobalt-based superalloy combining high strength with keeping high ductility, biocompatible and corrosion resistant. It has been used successfully for heart valves for its chemical inertia, and this alloy is a good candidate for stent elaboration. Control of grain size distribution can lead to significant improvement of mechanical properties: in one hand grain refinement enhance the material strength, and on the other hand large grains provide the ductility necessary to avoid the rupture in use. Therefore, tailoring the grain size distribution is a promising way to adapt the mechanical properties to the targeted applications. The grain size can be properly controlled by dynamic recrystallization during the forging process. Therefore, the comprehension of the recrystallization mechanism and its dependence on forging parameters is a key point of microstructure design approach. The optimal conditions for the occurrence of dynamic recrystallization are determined, and correlation between microstructure evolution and mechanical behavior is investigated. Compression tests are carried out at high-temperature on Thermec-master Z and Gleeble forging devices, followed by gas or water quench. Mechanical behavior of the material at high temperature is analyzed in detail, and innovative methods are proposed to determine the metallurgical mechanisms at stake during the deformation process. Mechanical properties of the material after hot-working and annealing treatments are investigated. The grain growth kinetics of L-605 alloy is determined, and experimental results are compared with the static recrystallization process. Microstructures after hot deformation are evaluated using SEM-EBSD and TEM. Significant grain refinement occurs by dynamic recrystallization for high temperature and low strain rate (T≥1100 ◦ C, strain rate < 0.1s−1), and at high strain rate (strain rate > 10s−1). Dynamic recrystallization is discontinuous and takes place from the grain boundaries, leading to a necklace structure. The nucleation mechanism is most likely to be bulging from grain boundaries and twin boundaries. A new insight of the modeling of dynamic recrystallization taking as a starting point the experimental data is proposed. By combining the results from the mechanical behavior study and microstructure observation, the recrystallization at steady-state is thoroughly analyzed and provides the mobility of grain boundaries. The nucleation criterion for the bulging from grain boundaries is reformulated to a more general expression suitable for any initial grain size. Nucleation frequency can be deduced from experimental data at steady-state through modeling, and is extrapolated to any deformation condition. From this point, a complete analytical model of the dynamic recrystallization is established, and provides a fair prediction on the mechanical behavior and the microstructure evolution during the hot-working process.