La cuve des réacteurs à eau sous pression forme la seconde barrière de confinement de l'assemblage combustible nucléaire. Dans les centrales françaises, elle est constituée d'acier 16MND5 faiblement allié (équivalent de la nuance ASTM A508 Cl.3). Diverses techniques expérimentales (microscopie électronique, diffraction des rayons X etc.) sont mises en oeuvre lors d'essais de tractions in-situ afin de mettre en évidence les hétérogénéités mécaniques apparaissant au sein du matériau. Ces mesures se font en cours de sollicitation pour diverses basses températures [-150°C;-60°C]. Les hétérogénéités mécaniques sont principalement dues aux deux aspects "polycristallins" et "composite"(effet des amas de cémentite) de la microstructure. Des écarts de contraintes résiduelles interphases (jusqu''a 150 MPa en moyenne entre bainite et ferrite), et intraphases (jusqu''a 100 MPa en moyenne par orientation pour la ferrite) sont mis en évidence. Une modélisation complexe est mise en oeuvre afin de représenter le comportement. Elle inclut une loi micromécanique, un modèle de transition d'échelle, et une représentation par éléments finis d'agrégats 3D, le tout associé dans une démarche multi-échelles. L'identification se fait sur le comportement à différentes températures, et permet de reproduire les hétérogénéités de contraintes mises en évidence expérimentalement. Cette modélisation sert de base à l'application déterministe d'un critère local de rupture fragile micromécanique et cristallographique. L'utilisation de divers tirages de répartitions de carbures réalistes permet d'obtenir une probabilité de rupture du volume élémentaire en accord avec les hypothèses formulées par l'approche locale de la rupture. A ceci près que contrairement aux approches habituelles, on ne suppose pas de dépendance de cette probabilité par rapport au chargement ou à la microstructure, celle-ci est naturellement introduite.

Comprendre l'origine de la fragilisation des aciers austéno-ferritiques utilisés dans les coudes moulés des circuits primaires des centrales nucléaires est une étape clé pour l'anticipation de leur vieillissement. Cette prédiction nécessite une caractérisation et une compréhension du mécanisme de transformation de phase à l'origine de ce constat : la décomposition de la ferrite. Ainsi, de façon duale, des ferrites d'aciers vieillis plus de 20 ans, sur site ou en laboratoire ainsi qu'à différentes températures, ont été analysées par sonde atomique tomographique et un travail de simulation de la décomposition de la ferrite d'alliages modèles Fe-Cr a été initié. Afin de valider les paramètres utilisés en simulation Monte Carlo, une étude expérimentale de la démixtion d'un alliage Fe-20 % at. Cr vieilli à 500°C a été réalisée. Cette étude expérimentale a montré qu'un régime de germination non classique (GNC) intervient dans cet alliage. La simulation de la décomposition de la ferrite dans le même alliage, vieilli à la même température, n'a pas révélé l'enrichissement progressif des précipités de phase α' caractéristique de la GNC. L'étude d'aciers vieillis plus de 20 ans a permis de confirmer que les aciers vieillis en laboratoire sont représentatifs de ceux vieillis sur site (pour T < 350°C), que la phase G (précipitation intermétallique à l'interface des phases α/α') n'influence pas la fragilisation de la ferrite et que la différence de traitement thermomécanique n'est pas déterminante quant à l'écart de décomposition observé dans ces aciers.

Bien que l'amorçage de fissure joue un rôle important en fatigue, ses mécanismes ne sont pas encore pleinement compris. Des critères d'amorçage basés sur des mécanismes physiques de déformation plastique ont été proposés mais ne sont pas faciles à utiliser et à valider, car ils nécessitent des variables locales à l'échelle du grain. L'étude présente vise à établir un critère d'amorçage en fatigue oligocyclique, utilisable sous chargement d'amplitude variable.Le comportement mécanique de l'acier inoxydable AISI 316L étudié a été caractérisé en fatigue oligocyclique. Il a été modélisé par un schéma autocohérent utilisant une loi de plasticité cristalline basée sur l'évolution des densités de dislocations. L'endommagement de surface a été suivi pendant un essai de fatigue à l'aide d'un dispositif de microscopie optique in situ. Les fissures présentes après 2000 cycles ont été analysées et leurs caractéristiques cristallographiques calculées.Comme les grains de surface montrent une déformation plus importante à cause d'un moindre confinement par les grains voisins, il est nécessaire de définir une loi de localisation spécifique aux grains de surface. La forme proposée fait intervenir une variable d'accommodation intergranulaire, sur le modèle de la loi de localisation de Cailletaud-Pilvin. Elle a été identifiée à partir de simulations par éléments finis. L'état des contraintes et des déformations dans les grains de surface a alors été simulé. Des indicateurs d'amorçage potentiels ont ensuite été comparés sur une même base expérimentale. Deux indicateurs pertinents de l'endommagement en fatigue ont pu être obtenus.

L'aspect visuel des tôles peintes qui constituent la carrosserie d'une automobile est un facteur déterminant pour la qualité de l'ensemble du véhicule. La caractérisation de l'influence de la topographie des tôles rugueuses utilisées dans ce contexte, est un enjeu de premier plan pour les industriels, tout en représentant un important défi scientifique. Nous proposons, au cours de ce projet de thèse, une exploration détaillée de cette problématique par le biais d'importantes campagnes expérimentales. Et, nous développons une série de méthodes et logiciels aptes à tirer le meilleur parti des données exhaustives qui ont alors été acquises, notamment en proposant des techniques de correction automatique des écarts de forme. Les fruits de ces travaux nous permettent d'élaborer les premiers modèles de prédiction des topographies des tôles peintes à partir des propriétés topographiques de leurs états de surface avant peinture. Et nous présentons aussi les premiers modèles optiques qui permettront, à l'avenir, de simuler l'''effet peinture''.

Une soupape est une pièce complexe, aujourd'hui obtenue par mise en forme à chaud à partir d'une barre ou d'un fil. Dans un contexte concurrentiel de plus en plus sévère, les industriels du domaine sont à la recherche de la moindre économie. Ce travail de recherche à permis d'étudier la faisabilité de la mise en forme à froid de soupapes d'échappement. Deux objectifs à ce nouveau procédé : une économie d'énergie thermique conséquente et un état de livraison near net shape. Deux obstacles à surmonter : une ductilité de la matière limitée et une sollicitation mécanique des outillages plus importante. Les soupapes d'échappement courantes sont en acier inoxydable austénitique, mais certaines applications niches ont amené à utiliser des superalliages base nickel à plus hautes caractéristiques, dont le coût matière reste cependant trop élevé pour se démocratiser. Entre les deux se situent les superalliages base fer aux caractéristiques et au coût matière intermédiaires. L'exposé débutera par un bref rappel des enjeux du projet et de une présentation de l'état de l'art. A partir de la caractérisation des nuances existantes, de nouvelles nuances ont été développées et obtenues via le plateau de fusion et coulée C3P du Cemef. Les essais menés sur ces nouvelles nuances ont mis en évidence la possibilité d'obtenir des soupapes mises en forme à froid. En parallèle, l'étude du procédé de mise en forme a permis de mettre en évidence les risques d'apparition de rupture, et d'étudier l'influence des paramètres du procédé sur les risques d'apparition de rupture. Une simulation à l'échelle micro a enfin permis de mettre en évidence la source de la rupture ductile.

Etude des micro-contraintes dans les matériaux texturés hétérogènes par diffraction et modèles de comportement L'objectif de ce travail est le développement d'une méthodologie d'analyse des contraintes utilisant des modèles théoriques pour décrire le comportement élasto-plastique des matériaux polycristallins. L'étude vise d'abord l'interprétation de résultats expérimentaux par des modèles de déformation qui décrivent la création des champs de contrainte dans les matériaux polycristallins déformés. Une attention particulière est portée à l'explication des phénomènes physiques à l'origine des contraintes résiduelles et à la prédiction de leur évolution et de leur influence sur les propriétés du matériau. Dans le premier chapitre, la méthode classique, dite des sin2y, d'analyse des contraintes est présentée. Ensuite, la nouvelle méthode d'analyse, méthode de multiréflexions, basée sur les mesures de déformation en utilisant plusieurs réflexions hkl est introduite. Dans cette méthode, tous les pics de diffraction sont analysés simultanément et la distance interréticulaire dhkl est remplacée par une distance équivalente a. Aussi, sont présentées les méthodes de calcul des constantes élastiques radiocristallographiques qui jouent un rôle crucial dans la détermination des contraintes. La détermination de ces constantes est indispensable pour l'interprétation des différents résultats expérimentaux. De nouvelles méthodes de calculs des constantes élastiques radiocristallographiques utilisant le modèle autocohérent ont été développées et testées. Une attention particulière a été portée au calcul par ce nouveau modèle autocohérent dans le cas des couches superficielles (surface libre). Dans ce modèle, le calcul des forces et contraintes normales à la surface est effectué selon le modèle de Reuss et pour les deux autres directions, c'est le modèle auto-cohérent qui est utilisé. Cette méthode de calcul est particulièrement adaptée au cas de la diffraction des rayons X où seulement une couche superficielle du matériau est examinée (généralement de quelques mm d'épaisseur). Dans le chapitre suivant, deux modèles de déformation ont été développés et utilisés pour déterminer l'évolution des contraintes et analyser les propriétés du matériau. Le premier modèle (LF) est basé sur les formulations de Leffers (Lefers 1968) qui ont été reprises et développées par Wierzbanowski (Wierzbanowski 1978, 1982). Le second est le modèle autocohérent (SC) (Hutchinson 1964, Berveiller et Zaoui 1979). Dans ce travail, le calcul est réalisé à partir de l'algotithme développé par Lipinski et Berveiller (Lipinski et Berveiller 1989). Dans cette approche, le tenseur de Green est utilisé pour décrire les interactions entre les grains. Les grains du polycristal sont considérés comme des inclusions ellipsoïdales (en 3D) dans une matrice homogène. Ces deux modèles de déformation elasto-plastique (LW et SC) sont des outils très utiles pour l'étude des propriétés mécaniques des matériaux polycristallins. Ils permettent la prédiction des propriétés macroscopiques du matériau (texture, courbes contrainte-déformation, surfaces d'écoulement plastique, densité des dislocations, état final des contraintes résiduelles, etc.) à partir de ses caractéristiques microsructurales (systèmes de glissement, loi d'écrouissage, texture initiale, état initial des contraintes résiduelles, etc.) (Wierzbanowski 1978). Des résultats typiques: de texture, écrouissage et énergie stockée, obtenus par ces modèles, ont été comparés aux résultats expérimentaux. Le chapitre 3 est consacré principalement à l'explication des origines physiques des contraintes et de la prédiction de leur évolution, ainsi qu'à leur influence sur les propriétés du matériau. Les contraintes internes sont classées en trois types selon l'échelle : contraintes d'ordre I, II ou III. Une attention particulière est portée aux contraintes d'ordre I et II car ce sont les seules qui sont déterminées à partir de la position des pics de diffraction. Les modèles de déformation ont été utilisés pour l'analyse des contraintes à l'échelle des grains (contraintes du second ordre). L'évaluation quantitative de ce type de contraintes ne peut pas être effectuée directement par des mesures mais elle est possible grâce aux modèles. Les matériaux multi-phasés ont été également étudiés. Pour ces matériaux, l'interprétation des données expérimentales est plus complexe que celle du cas des matériaux monophasés en raison de la nécessité de prendre en compte l'interaction entre les phases. C'est pourquoi, une nouvelle méthode adaptée aux matériaux multi-phasés a été développée et appliquée au cas des aciers inoxydables austéno-ferritiques (aciers Duplex). Les paramètres de déformation plastique ( ph c t - scission critique résolu et Η ph - paramètre d'écrouissage) de chacune des phases ont pu être déterminés. Lors de la déformation plastique, l'évolution des contraintes dans les phases et la création de contraintes d'incompatibilité de second ordre, sont observées et l'influence de la texture cristallographique et de l'anisotropie élastique est étudiée. La méthodologie développée et utilisée dans ce travail a, donc, permis de déterminer quantitativement les contraintes du premier et du second ordre, pour chaque phase. Il a été montré qu'une bonne corrélation entre les déformations déterminées expérimentalement et les résultats théoriques, n'est obtenue que si l'influence des contraintes du second ordre est prise en compte. Aussi, le meilleur lissage des courbes expérimentales est obtenu quand les calculs intègrent les constantes d'élasticité anisotropiques et la texture réelle initiale de l'échantillon. Les méthodes de détermination des contraintes du premier et du second ordre, présentées au troisième chapitre, sont employées pour l'étude des contraintes résiduelles dans des alliages écrouis par laminage croisé (Chapitre 4). Le laminage croisé a été retenu pour ajouter une symétrie de la texture cristallographique et, donc, de réduire l'anisotropie de la pièce (comparé au laminage uniaxial). Les résultats sont présentés pour des séries d'éprouvettes en acier et en alliage de cuivre. Dans le cas de l'alliage de cuivre, les résultats montrent de très faibles niveaux de contraintes d'incompatibilité de second ordre qui peuvent être négligées. Par contre, dans le cas de la ferrite, il faut en tenir compte car leur niveau s'avère important. Les oscillations observées sur les courbes des sin2y peuvent être expliquées, dans ce cas, principalement par la présence de contraintes du second ordre. Enfin, au chapitre 5, une nouvelle méthode d'analyse des contraintes utilisant un faisceau de rayons X avec un angle d'incidence faible et constant (méthode de diffraction en incidence rasante GID-sin2y). Cette méthode présente l'avantage d'une profondeur de pénétration des rayons X constante, contrairement à la méthode des sin2y classique qui présente l'inconvénient d'une forte variation de la pénétration avec l'angle y. C'est pour cette raison que la méthode classique des sin2y est mal adaptée pour l'étude des matériaux à forts gradients de contraintes. Moyennant un choix optimisé des angles d'incidence et du type de rayonnement, la nouvelle méthode s'avère efficace pour l'étude des matériaux à forts gradients de contraintes, en permettant des mesures dans différentes couches proches de la surface. L'incertitude des mesures a été évaluée et le rôle de l'absorption, de l'indice de réfraction et des facteurs de Lorentz-polarisation et de diffusion atomique ont été étudiés. A partir de mesures sur des poudres de référence, l'influence de chacun de ces paramètres a été évaluée et prise en compte dans la détermination de la position des pics de diffraction. Les analyses effectuées ont confirmé la faible influence de l'absorption et des facteurs de Lorentz-polarisation et de diffusion atomique sur la contrainte déterminée. Par contre, ils ont révélé un effet important de l'indice de réfraction, en particulier aux petits angles d'incidence. Pour des angles d'incidence a£100, les corrections sont importantes et modifient les résultats des contraintes d'une manière significative (la correction peut atteindre 70 MPa dans le cas de la poudre). Cet effet et, donc, la correction nécessaire décroît quand l'angle d'incidence augmente.

Ce travail traite de l'évolution de la texture et de la microstructure dans les soudures d'acier inoxydable duplex 2205 traitées thermiquement. L'analyse microstructurale a montré que la ZAT est caractérisée par une forte teneur en ferrite alors que le centre du métal fondu contient plus d'austénite. Les traitements thermiques effectués dans le domaine 800-1000°C ont causé la précipitation de la phase σ et des carbures de chrome M23C6 aux interfaces γ / δ qui sont les sites privilégiés de germination. Au-delà de 1050°C la fraction volumique de la ferrite augmente avec la température. Les propriétés mécaniques optimales du joint soudé sont obtenues suite à un traitement d'hypertrempe à 1050 °C pendant 1h. Le passage de la température d'hypertrempe de 1050 à 1250 °C retarde la précipitation de la phase σ et favorise celle de l'austénite secondaire γ2. L'étude de la cinétique de précipitation de la phase σ dans les différentes zones de la soudure montre que celle-ci suit le modèle modifié de JMA. Les résultats obtenus montrent une dépendance significative de la précipitation de la phase σ par rapport à la température d'hypertrempe. L'analyse par EBSD de la texture cristallographique du métal fondu a permis de déterminer la relation d'orientation exacte entre l'austénite et la ferrite comme étant une rotation de 44.2° autour d'un axe <0.16, 0.16, 0.97>. La texture du métal de base reste quasiment stable suite à l'opération de soudage et aux traitements thermiques effectués au moment où une petite dispersion vient perturber légèrement la relation d'orientation dans le métal fondu.

Les défauts d'un cristal sont les porteurs de la diffusion. Le flux J des défauts ponctuels dans le volume du cristal et le flux J' des espèces diffusant dans les défauts étendus sont supposés parallèles dans notre modèle d'oxydation des métaux. La vitesse s'écrit v = J(1 - θ) + J ' θ, θ est la portion de l'aire occupée par les "courts-circuits" constitués par les défauts étendus du cristal. Ce modèle permet d'expliquer le comportement d'échantillons de nickel revêtus de V₂O₅ sous oxygène pur, *à 900°C : La vitesse d'oxydation est maximale pour une pression d'oxygène de 20 kPa et proportionnelle à l'épaisseur *du dépôt. L'étude morphologique (par diffraction RX en incidence oblique, spectroscopie Auger, M.E.B.) montre qu'un composé oxygéné de nickel et de vanadium est localisé dans la couche de l'oxyde NiO. Tant que ce composé est liquide ou non-stœchiométrique, la corrosion est catastrophique, sinon la diffusion est bloquée et la vitesse inférieure à celle observée pour le nickel pur. A priori, un élément susceptible de réagir avec V₂O₅ pour former un solide peut protéger le matériau. Ainsi un revêtement de magnésium métallique sur le nickel ou sur un acier inoxydable (type 25-20) s'avère efficace.

Les collecteurs d'échappement des véhicules automobiles sont des pièces sollicitées en fatigue thermique de manière prépondérante. Pour la fabrication de ces pièces, les aciers inoxydables viennent aujourd'hui concurrencer la fonte traditionnellement utilisée.<br />Afin de qualifier les différentes nuances de sa gamme vis-à-vis de cette application, la société Ugine & ALZ, fabricant d'aciers inoxydables, a développé un essai original de fatigue thermique. Si cet essai apparaît représentatif des sollicitations thermomécaniques subies par les collecteurs en zones critiques, différents mécanismes de ruine sont observés entre les nuances ferritiques et austénitiques.<br />Le sujet de la présente thèse concerne l'endommagement en fatigue thermique d'aciers inoxydables pour l'application automobile collecteur d'échappement. Deux aciers inoxydables sont étudiés: une nuance ferritique nommée F17TNb (17%Cr stabilisé Ti et Nb) et une nuance austénitique nommée R20-12 (20%Cr et 12%Ni).<br />Le premier objectif est de comprendre la différence d'endommagement apparaissant en fatigue thermique entre les nuances ferritiques et austénitiques. Le second objectif est de développer un outil de dimensionnement des structures sollicitées en fatigue thermique.

Cette étude est dédiée à l'influence du fraisage de finition avec outil à extrémité hémisphérique sur l'intégrité de surface et la durée de vie en fatigue de pièces en acier bainitique à haute limite d'élasticité. L'intégrité de surface - microgéométrie, contraintes résiduelles et écrouissage - est caractérisée expérimentalement pour différentes valeurs des paramètres d'usinage, dont l'angle d'inclinaison de l'outil. L'hétérogénéité du champ de contraintes résiduelles perpendiculairement aux sillons générés par l'outil est mise en évidence à différentes profondeurs. Des essais de fatigue en flexion sur éprouvettes brutes d'usinage ou polies, avec ou sans traitement thermique de relaxation des contraintes résiduelles, mettent en évidence l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Des essais de fatigue en traction avec mesures d'auto-échauffement mettent en évidence une compétition entre mécanismes de micro-plasticité et de micro-fissuration. Une approche hybride est proposée pour prévoir l'état mécanique de la pièce usinée après fraisage. L'effet sur la surface usinée d'un chargement thermo-mécanique équivalent à l'opération de coupe et déduit d'essais d'usinage instrumentés est alors simulé numériquement sans modéliser l'enlèvement de matière. Une approche probabiliste est proposée pour prévoir l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Cette approche, restreinte au cas où le mécanisme de microfissuration est prédominant est validée grâce à la prise en compte de la microgéométrie. Le modèle est alors de type mécanique de la rupture et basée sur une mesure de la population de tailles d'entaille au fond des creux générés par l'outil.