La présente thèse entend examiner les interactions présentes et futures entre l'industrie sidérurgique européenne et son environnement, avec pour objectifs principaux, l’amélioration de la prise de décision et l'élaboration de politiques industrielles en matière de durabilité et de circularité. La thèse contribue à l’émergence de propositions contribuant à façonner l'avenir de l'acier dans l’Union Européenne. L'industrie sidérurgique européenne est utilisée ici comme un cas d’école, visant à explorer les avantages potentiels pour l’économie circulaire et l’écologie industrielle, d’une intégration d’un outil (Analyse du Cycle de Vie – ACV) dans une méthodologie (Dynamique des Systèmes – SD). Un modèle modulaire pour l’industrie sidérurgique européenne a été construit et, pour 4 des 5 articles développés dans la thèse, 21 simulations ont été effectuées. 12 simulations ont permis d’identifier les contraintes potentielles et les avantages des stratégies de fin de vie; 5 d’évaluer les avantages et les inconvénients des différentes stratégies d’intégration de la chaîne d’approvisionnement (SCI) dans la filière européenne de l’acier; et 4 de traiter des interactions entre les dynamiques biophysiques et économiques sur le marché de l'acier. Le dernier article s’appuie sur une nouvelle méthodologie – les Cercles de Durabilité et le Métabolisme Urbain Durable – pour évaluer les défis et les contributions de l'acier dans le cadre de l’éco-fonctionnalité en milieu urbain. Les résultats ont montré que l’intégration de l’ACV dans les stratégies de développement durable permettait de reproduire assez fidèlement les résultats et les scénarios d’études scientifiques antérieures, tout en suggérant des apports méthodologiques relativement novateurs. Cette recherche opérationnelle est susceptible d'intéresser les managers et des chefs d’entreprises qui s’attachent aux questions d’efficience et de résilience de l’outil industriel, ainsi que les décideurs politiques qui souhaitent cerner les enjeux d’une pénurie de matières premières ou d’une politique de recyclage de l’acier à l’échelle européenne. D'après les résultats de chaque article, il a été observé que (a) le recyclage et la réutilisation pourraient générer des résultats intéressants à moyen et à long terme en matière de circularité, en abandonnant notamment les combustibles fossiles et en développant un tout nouveau marché autour des services de fin de vie; (b) différentes approches en matière de chaine logistique intégrée semblent être prometteuses d'un point de vue environnemental et stratégique; (c) six variables biophysiques clés peuvent avoir une incidence notoire sur les cours au comptant, les cours à terme, les marges d'EBITDA, l'utilisation des capacités de production, la distribution des dividendes et les coûts de fabrication de l'acier; et (d) la dynamique servicielle dans le cadre de l’éco-fonctionnalité peut apporter des avantages significatifs aux villes durables, tout en modifiant considérablement la structure de l’offre sur le marché de l’acier. / The present thesis delved into the current and future interactions within the European Steel Industry and of it with the environment it is a part of, with the main objective of supporting decision- and policy-making efforts oriented towards sustainability and circularity, helping to shape the future of steel in the European Community. The thesis used the European Steel Industry as a case study to explore the potential benefits of integrating Life Cycle Assessment (LCA) into System Dynamics (SD) under the scopes of Circular Economy and Industrial Ecology. A model representative of the European Steel Industry was built modularly in Stella Architect, following ILCD and ISO guidelines and standards for LCA. Throughout 4 of the 5 articles developed for the present thesis, 21 simulation runs were performed on the aforementioned model: 12 on identifying potential constraints and benefits of End-of-Life policies; 5 assessing the advantages and disadvantages of different Supply Chain Integration (SCI) strategies along European steel supply chains; and 4 addressing the interactions between biophysical and economic dynamics in the steel market. An additional article was developed using the methodologies of Circles of Sustainability and Sustainable Urban Metabolism to appraise the challenges and contributions of steel as part of servitization initiatives in urban environments. Overall results indicated that integrating LCA into SD was not only feasible and capable of reproducing results, trends and behaviors from previous scientific studies, but also of contributing to both methodologies in different levels. This approach has potential to interest policy-makers who seek more granularity within the European Steel Industry as well as decision-makers searching for a broader understanding of their operation’s dynamics beyond the gates, notably regarding raw material scarcity, resource self-sufficiency, and resource ownership retention. From the results of each article it was observed that, (a) pushing for recycling and reuse could generate interesting medium- to long-term results for circularity, transitioning away from fossil fuels and developing a whole new market around end-of-life services; (b) different SCI approaches can be environmentally and strategically promising; (c) six key biophysical variables can distinctively affect spot prices, future prices, EBITDA margins, capacity utilization, dividend payouts, and costs of steelmaking; and (d) servitization can provide significant benefits to sustainable cities, while also being able to substantially alter the supply-side dynamics of steelmaking, highlighting how important it is for steelmakers to pay close attention to the service-providing initiatives that may concern their clients and products.

Cette thèse a été réalisée en cotutelle entre l'Université Technique Nationale Ivan Pul'uj de Ternopil (TNTU, Ukraine) et l’Université Blaise Pascal (Clermont Ferrand, France). Les travaux ont été effectués au sein de l'Institut Pascal de l’Université Blaise Pascal - Clermont II, de l’IFMA et du CNRS, dans le thème scientifique Matériaux actifs et intelligents, modélisation multi-échelle de l'axe Mécanique, Matériaux et Structures, et au sein de l'Institut Français de Mécanique Avancée. Les travaux réalisés sont inscrits dans l'action transversale « Matériaux et Modélisations Multi-Echelles » de l'Institut Pascal et, en partie, dans l'action MAIM du Laboratoire d'Excellence Labex IMobS3. La thèse présentée appartient au domaine scientifique de la mécanique de la rupture et la science des matériaux.Le but de ce travail est l’étude de l'effet du temps de fonctionnement sur les dommages de la structure, les propriétés mécaniques et la ténacité d'acier de collecteur de surchauffe dans les centrales thermiques et de développer les méthodes qui sont basées sur l'évaluation de la résistance résiduelle du collecteur en tenant compte des dispersions des propriétés mécaniques, du chargement opérationnel et des défauts de taille. La thèse étudie l'influence de l'hydrogénation sur le comportement mécanique, la ténacité et les micro-mécanismes de rupture dans le matériau du collecteur de surchauffe à déformation lente. / This thesis has been performed under the cotutelle agreement between Ternopil Ivan Pul’uj National Technical University (TNTU, Ukraine) and Blaise Pascal University (Clermont Ferrand, France). The thesis has been carried out within Pascal Institute of the Blaise Pascal University - Clermont II, the IFMA and the CNRS, in the Scientific Theme “Active and Smart Materials and Multiscale Modeling” of the Mechanics, Materials and Structures Department, and within the French Institute for Advanced Mechanics. The work is included in the Transversal Action "Materials and Multi-scale Modelling" of the Pascal Institute and in the Action MAIM of the Excellence Laboratory Labex IMobS3. The presented thesis belongs to the scientific field of fracture mechanics and material science. The aim of the thesis is to study the effect of operating time on damage of structure, mechanical properties and fracture toughness of superheater collector steel at thermal power plants (TPPs) and to develop the methods that are based on the assessment of the residual strength of collector taking into account the mechanical properties scatter, operational loading and defect sizes. The thesis studies the influence of hydrogenation on mechanical behavior, fracture toughness and fracture micromechanisms in the material of superheater collector at slow deformation.

Le 32CrMoV13 nitruré est un matériau à gradient de propriétés utilisé pour la réalisation de bagues de roulements aéronautiques. Il présente l’avantage d’être dur en surface et ductile à cœur, facilitant ainsi la lutte contre les effets de la pollution des contacts par les lubrifiants. De plus, afin d’améliorer les performances des roulements, la tendance est à l’utilisation de céramique (nitrure de silicium Si3N4) pour les éléments roulants à la place de l’acier (M50). Ainsi, le travail de thèse proposé ici est l’étude du comportement en fatigue de contact en présence d’indentations pour deux couples de matériaux (32CrMoV13 nitruré / M50 et 32CrMoV13 nitruré / Si3N4). Ce comportement est principalement orienté en terme de durée de vie du contact indenté par l’intermédiaire d’un critère d’amorçage de fissures. Une étude des propriétés mécaniques du 32CrMoV13 nitruré, nécessaires à l’application du critère, a été réalisée. La loi d’écrouissage et l’ouverture micro-plastique cyclique de la couche nitrurée du 32CrMoV13 nitruré ont été identifiées. Puis, par l’intermédiaire de défauts géométrique de type trous cylindriques, les propriétés d’amorçage de fissures ont été étudiées lors d’essais de compression uniaxiale. Le comportement en fatigue de contact en présence d’indentations a été étudié sur machine bi-disques. Ces essais ont permis de caractériser la différence de comportement du 32CrMoV13 nitruré, et indenté, dans un contact acier / acier et acier / céramique. L’effet du glissement a notamment été mis en évidence. Ces études expérimentales ont été couplées avec des simulations numériques afin d’étalonner le modèle physique d’amorçage de fissures et d’en valider sa bonne représentativité. En conclusion un modèle de prédiction de durée de vie en fatigue de roulement a été proposé. Il est particulièrement adapté aux cas où des contraintes résiduelles sont présentes, par exemple suite à l’indentation des surfaces. Le modèle s’appuie sur la caractérisation mécanique des couches traitées thermo-chimiquement de l’acier 32CrMoV13 nitruré. / The nitrided 32CrMoV13 steel is a gradient properties material used for the production of aeronautical bearing rings. The principal advantages are its surface hardness and core ductility, useful against debris denting. Moreover, to improve rolling bearing performances, ceramic balls (silicon nitride Si3N4) instead of steel (M50). The present study aims to investigate the contact fatigue performance in presence of indentation for two pairs of materials (nitrided 32CrMoV13 steel / M50 and nitrided 32CrMoV13 steel / Si3N4). This performance is mainly oriented in terms of lifetime of the indented contact by a crack initiation criterion. A study of the mechanicals properties of the nitrided 32CrMoV13 steel, required for the application of the criterion, is then performed. It allows to characterize the hardening law and the cyclic micro-plastic behavior of the nitrided layer of the nitrided 32CrMoV13 steel. Crack initiation properties of the nitrided surface layer have been evaluated by compression tests on thin hollow cylindrical specimens with small cylindrical holes. The contact fatigue behavior in presence of indentations was studied on a high-speed twin-disks machine. These tests allowed to characterize the difference in behavior of nitrided 32CrMoV13 steel (indented) in a steel-to-steel contact or steel-to-ceramic contact. The major effect of sliding has been highlighted. All these experimental studies were coupled with numerical simulations to calibrate the physical model of crack initiation and to show its capabilities. In conclusion a new model of rolling contact fatigue life has been proposed. It is specifically adapted to operation in presence of residual stresses such as resulting from debris denting. The model uses mechanical properties that have been identified for thermo-chemically treated layers of nitrided 32CrMoV13 steel.

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.

L’objectif principal de cette thèse est d’étudier l’efficacité d’un inhibiteur à base de phosphate, Na3PO4, sur l’amorçage de la corrosion des armatures du béton. L’étude a été réalisée moyennant des méthodes électrochimiques et d’analyse de surface associées à l’émission acoustique et à la technique de la cellule de diffusion. L’évaluation de l’efficacité de l’inhibiteur en milieu simulant le béton a été réalisée en utilisant une nouvelle méthode de prétraitement de l’armature et de suivi de la corrosion. Il apparaît qu’en présence de Na3PO4 le rapport critique [Cl-] / [OH-] d’amorçage de la corrosion par piqûre atteint une valeur (R=15) nettement supérieure à celle sans utilisation de Na3PO4 (R ~ 0,6). L’inhibition est due à la formation d’un film renfermant des composés phosphatés (FePO4, (PO4)2Fe3,8H2O) qui bloque les sites anodiques actifs de l’acier, et augmente de façon significative sa résistance à la corrosion localisée. Pour un rapport R > 15, la dépassivation est liée à la présence d’une forte teneur en chlorure dans le milieu et conduit à terme, à la destruction quasi générale du film formé au préalable sur la surface de l’acier.La technique de cellule de diffusion a permis d’étudier, principalement, la cinétique de diffusion des ions Cl- dans un mortier confectionné sans et avec Na3PO4. La présence du phosphate dans le mortier entraîne une réduction du coefficient de diffusion des ions chlorures, et un accroissement important de la période d’amorçage du processus de corrosion. Enfin, l’inhibiteur adjuvant engendre la formation de nouveaux produits à base de phosphate dans le mortier (principalement : Ca3H2(P2O7)2, H2O et CaHPO4, 2H20). La disparition des hydrates usuels du ciment entraine une légère diminution de la résistance à la compression du béton, et de son module d’élasticité. Néanmoins, la présence de ces composés phosphatés bloque les pores du mortier et freine la diffusion des chlorures. Il s’ensuit une amélioration de la résistance de la corrosion du mortier armé en milieu 3 % NaCl. L’ensemble de ces résultats a montré clairement que cet adjuvant demeure recommandé pour la protection des armatures contre la corrosion en milieu chloruré. / The main aim of this thesis is to study the effectiveness of a phosphate based inhibitor, Na3PO4, against steel reinforcement corrosion initiation. The study was carried out by means of electrochemical methods and surface analysis associated with the acoustic emission and the diffusion cell technique. The effectiveness evaluation of this inhibitor in medium simulating the concrete pore solution has been studied using new method for reinforcement pretreatment and the corrosion monitoring. It appears that in the presence of Na3PO4, the critical ratio [Cl-] / [OH-] which prevents the pitting corrosion initiation reaches 15. This value is significantly higher than that found in the case of the steel without Na3PO4 (R ~ 0. 6). The inhibition is due to the layer formation containing phosphate compounds (FePO4, (PO4)2Fe3.8H2O), resulting in a considerable reduction of the anode active sites in contact with the electrolyte. This reinforces the steel passivation and greatly increases its resistance to localized corrosion. For R > 15 ratio, the depassivation has been associated with the presence of a high chloride content in the medium and with the destruction of the film formed beforehand on the steel surface. The diffusion cell technique was used to study mainly the Cl- ion diffusion kinetics in a mortar without and with Na3PO4. The presence of phosphate in the mortar, leads to the chloride ions diffusion coefficient reduction and an important increase of the corrosion process initiation period. Finally, the adjuvant inhibitor causes the formation of new phosphate-based products in the mortar (principally: Ca3H2(P2O7)2.H2O et CaHPO4.2H20). The disappearance of usual cement hydrates induces a slight decrease of compressive strength of the concrete and its elasticity modulus. Nevertheless, the presence of these phosphate compounds blocks the mortar pores and restricts the chloride diffusion. It follows an improvement of the corrosion resistance of the reinforced mortar in 3% NaCl medium. All these results clearly show that this adjuvant is recommended for the reinforcement protection against corrosion in chloride medium.

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.