Le fonctionnement à haute température de certains composants des centrales nucléaires, provoque une dégradation de leurs propriétés à rupture. Cette dégradation provient essentiellement de l'activation de phénomènes thermodynamiques qui entraînent la ségrégation d'éléments aux joints des grains. L'objectif de ce travail est de proposer une modélisation multi-échelle permettant de relier la cinétique de cette ségrégation à l'évolution des propriétés à rupture du matériau.

Cette thèse est dédiée à l'étude du comportement des aciers inoxydables sous irradiation exposés en condition primaire des réacteurs à eau pressurisée (REP). Le potentiel électrochimique de l'acier inoxydable austénitique 316L et les paramètres environnementaux comme la teneur en hydrogène, ont été mesurés de façon continue à haute température (HT) et haute pression (HT) grâce à un dispositif expérimental unique, la cellule HTHP. Deux sources d'irradiation ont été utilisées: les protons et les électrons. Le comportement électrochimique du 316L s'est avéré similaire dans les deux cas: (i) une augmentation du potentiel sous irradiation de l'ordre de la dizaine de millivolts ("réponse oxydative"); (ii) l'augmentation de la teneur en hydrogène diminue cette augmentation du potentiel sous irradiation; (iii) une synergie est observée entre le vieillissement à 300 C et la fluence qui conduit également à limiter la réponse oxydative sous irradiation. Les observations du film passif d'oxydes mettent en évidence la présence de nickel métallique dans l'ensemble des oxydes (interne et externe) en présence d'hydrogène, sans irradiation. Après les irradiations les plus fortes, des cavités (piqûres) sont observées en surface du 316L. Ces défauts sont attribués à l'effet de la radiolyse de l'eau et de l'irradiation de la couche passive. La radiolyse influence également l'évolution de la chimie du milieu primaire qui devient plus acide et plus oxydante. Il en résulte une augmentation du relâchement des cations métalliques et la présence d'hématite ( a-Fe2O3) sur le film d'oxyde externe de l'acier inoxydable lorsque les cavités (piqûres) sont formées.

L'objectif de cette thèse est de mettre en place un cadre numérique qui permet de simuler la réponse de structures en béton armé de taille industrielle soumises à des impacts sévères. Notre modèle repose sur trois ingrédients principaux : 1) la modélisation éléments discrets (ED) du béton, permettant de profiter de la nature « discrète » de cette formulation et de décrire facilement l'apparition et la propagation des discontinuités fortes de la matière ; 2) la modélisation éléments finis (EF) poutre des armatures, donnant la possibilité de représenter toute la complexité du ferraillage que l'on rencontre dans les structures industrielles en béton armé ; 3) un modèle de liaison acier-béton original, que nous avons proposé et mis en œuvre dans le code EUROPLEXUS, et qui constitue le principal apport de cette thèse. Nous avons effectué une étude théorique et numérique sur la stabilité et la précision de ce modèle de liaison, et avons calibré ses paramètres en simulant un essai d'arrachement. En modélisant l'essai de traction d'un tirant (barre en béton contenant une armature), nous avons montré la capacité de notre modèle à reproduire le transfert des efforts entre le béton et l'armature au niveau de l'interface acier-béton. Testé et validé sur des cas-tests élémentaires, le modèle mixte ED-EF a ensuite été appliqué à la simulation de vraies structures en béton armé. Nous avons simulé de manière détaillée quelques essais connus (l'impact mou sur poutre CEA, l'essai Meppen II-4), ce qui a permis de valider l'ensemble de notre approche numérique et de recueillir des éléments pour définir les pistes d'amélioration des modèles que nous avons mis en œuvre. / The aim of this work is to set up a numerical framework to simulate the behaviour of industrial size reinforced concrete structures subjected to severe impacts. Our model is based on three main features : 1) modeling of the concrete with a discrete method to handle easily strong material discontinuities such as initiation and propagation of macro-cracks ; 2) modeling of the reinforcement bars with finite element method to be able to represent complex reinforcement cages of industrial structures ; 3) an original steel-concrete bond model that we proposed and implemented in the dynamic explicit code EUROPLEXUS and that constitutes the main task of this work. We studied theoretically and numerically this model to guarantee its stability and precision during the time integration. We calibrated its parameters by simulating pull-out tests. To verify our model, we simulated a tie-test (a long concrete column which contains a reinforcement bar) and showed that our model ensures the correct transfert of forces between steel and concrete. After testing our model on simple benchmarks, we simulated real reinforced concrete structures subjected to impacts (soft impact on a beam, Meppen test n°II-4), allowing us to validate our numerical approach and to define some perspectives to improve the models we have developped.

La procédure d'évaluation des performances des structures en génie civil soumis à des tremblements de terre implique le développement des modèles mathématiques et des procédures d'analyse dynamique non-linéaire pour estimer les réponses sismiques. Le comportement hystérétique des structures est connu pour être fortement dépendante du modèle de l'assemblage. Dans le cas de chargement cyclique, la plastification cyclique, le phénomène de fatigue oligocyclique et la détérioration du comportement dus à la dégradation de rigidité ont été jugées importantes. Cela éventuellement conduit à une grande incertitude dans les réponses d'une structure. Dans ce contexte, un modèle d'endommagement basé sur la fatigue hystérétique est développé pour évaluer la performance sismique des ossatures en acier avec des assemblages boulonnés à plaque d'extrémité. Le modèle développé est un modèle hystérétique dégradant basé sur l'indicateur de dommage par fatigue oligocyclique. Une étude expérimentale du comportement d'un assemblage boulonné à plaque d'extrémité est réalisée pour analyser les effets du comportement en fatigue oligocyclique et pour développer un modèle de prédiction de durée de vie. Les essais de fatigue ont été effectués en utilisant un pot vibrant. Les résultats des essais expérimentaux de fatigue seront utilisés pour déduire les paramètres de la fatigue qui sont nécessaires pour développer le modèle hystérétique de l'assemblage boulonné. L'analyse des dommages sismiques est l'un des problèmes les plus difficiles dans des structures grandes et complexes, particulièrement celles en ossature avec des assemblages boulonnés à plaque d'extrémité. L'existence de dommages structuraux dans une structure conduit à la modification des modes de vibration et les valeurs propres globaux sont généralement sensibles à l'ampleur des dégâts sismiques locaux dans des assemblages boulonnés. Dans ce travail, une analyse temporelle non-linéaire qui tient compte des modes et des fréquences non-linéaires a été proposée. Selon cette approche, les modes et les fréquences non-linéaires peuvent être déterminés par une procédure itérative qui repose sur la méthode de linéarisation équivalente. L'introduction de la notion des modes non-linéaires a permis d'étendre la méthode de synthèse modale linéaire aux cas non-linéaires afin d'obtenir la réponse dynamique des systèmes non-linéaires. Dans un autre contexte expérimental, cette thèse présente les résultats d'essais sur une table vibrante. L'objectif des essais expérimentaux est de comprendre le comportement inélastique des structures en acier soumis à des charges dynamiques. Par ailleurs, ces essais sont également destinés à étudier les changements dans les paramètres modaux dus au développement du comportement élasto-plastique et du dommage par fatigue oligocyclique des assemblages boulonnés. Une simulation numérique non-linéaire du système est effectuée sur la base du modèle développé et l'approche numérique proposée. Une comparaison des résultats obtenus à partir de l'analyse numérique et ceux des essais de table vibrante est présentée. Cependant, l'analyse des dommages pour les ossatures en acier sous excitations sismiques aléatoires exige l'application d'un algorithme adéquat. Un algorithme a été développé pour évaluer la performance sismique des ossatures en acier. En utilisant cet algorithme, l'influence de la fatigue oligocyclique sur le comportement des assemblages boulonnés à plaques d'extrémité peut être étudiée.

Ces travaux de thèse s'inscrivent au sein d'une démarche multi-échelles visant à améliorer lacompréhension de la fragilisation par l'irradiation de l'acier de cuve. Dans ce cadre, nous nousintéressons à la description de la mobilité des dislocations dans la ferrite, l'une des entrées clépour les codes de dynamique de dislocations (DD). Nous présentons ainsi une revuebibliographique exhaustive des différentes théories et expressions de la mobilité, à partir delaquelle nous proposons une nouvelle expression pour les dislocations vis. Cette loi, utilisablepour la première fois dans le régime de transition ductile-fragile, permet de reproduire lesprincipales observations expérimentales disponibles à ce niveau. Finalement, nous montronsles améliorations apportées au code de DD Tridis BCC 2.0, qui intègrent la nouvelle loi demobilité avec une nouvelle gestion des segments de dislocation permettant de stabiliser etaccélérer des simulations complexes avec prise en compte du glissement dévié.

Le travail s'intéresse aux effets d'un pré-écrouissage cyclique axial ou en torsion sur le comportement cyclique et la durée de vie en fatigue sous sollicitation axiale à température ambiante d'un acier inoxydable austénitique 304L. Les essais cycliques séquentiels à amplitude de déformation croissante ou décroissante montrent que la courbe cyclique du 304L est non-unique. Cette caractéristique est liée à la persistance de l'état microstructural généré pendant les cycles d'amplitude de déformation maximale de la première séquence. En augmentant le nombre des séquences, l'acier 304L montre une tendance vers une courbe cyclique asymptotique, l'écrouissage semble se stabiliser. Des essais de fatigue sous chargement axial ont été réalisés sur des éprouvettes vierges ou pré-écrouies en traction-compression ou en torsion. Les durées de vie ont été sensiblement réduites pour les éprouvettes pré-écrouies. Ce phénomène est lié à la formation de structures de dislocations denses héritées de la phase de pré-écrouissage. Cependant, l'augmentation de l'amplitude de déformation en fatigue réduit l'effet du pré-écrouissage.

Ce travail est une contribution à l'étude des conséquences mécaniques des transformations de phase à l'état solide dans les aciers, en particulier la plasticité de transformation (TRIP), en prenant en compte l'effet de la taille de grain austénitique (AGS). L'évolution de l'AGS a été étudiée sous différentes conditions d'austénitisation. Des essais de plasticité de transformation ont été conduits avec les mêmes conditions d'austénitisation afin d'observer l'évolution du TRIP avec l'AGS. Trois types de chargement mécanique sont considérés : la traction uniaxiale, la torsion uniaxiale et le cas biaxial de traction + torsion. Les résultats montrent que : i) le TRIP augmente avec l'AGS dans le cas de la traction ; ii) il est indépendant de l'AGS pour la torsion; iii) pour le cas du changement biaxial, le TRIP diminue légèrement. Ceci montre que les modèles décrivant le TRIP doivent être revus afin de prendre en compte l'AGS.

Lors du traitement en poche de l'acier liquide, les inclusions sont transportées vers l'interface métal liquide/laitier où elles sont capturées. Près de l'interface, le mouvement des inclusions est ralenti sous l'effet des interactions hydrodynamiques avec celle-ci. Afin d'étudier ces interactions, deux maquettes froides ont été mises en œuvre, où les inclusions sont modélisées par des billes millimétriques de densité intermédiaire entre celles de deux liquides transparents. Ces dispositifs nous ont permis de mesurer les variations du coefficient de frottement fen fonction de d/R (d est la distance du centre de la bille à l'interface non déformée et R est le rayon de la bille) pour différentes valeurs du nombre de Bond particulaire Bop, du rapport de différences de densités β et du rapport de viscosités λ. Lorsque d⁄(R>2), les points expérimentaux sont en accord avec le modèle de Bart pour une interface indéformable. fdépend fortement de λ et faiblement de  et Bop.Lorsque d⁄(R≤2), on distingue deux modes de relaxation vers l'équilibre. Lorsque 〖Bo〗_p≪1, la déformation reste faible et le régime de Bart est suivi par le régime de Taylor où (f~R)⁄h (h est l'épaisseur du film de liquide séparant la particule de l'interface). Lorsque 〖Bo〗_p≳1, l'interface se déforme significativement pour atteindre localement la courbure de la bille et le drainage du film s'effectue en régime de Reynolds où f~(R⁄h)^3. Les variations de 1/f en fonction de l'écart à l'équilibre présentent une inflexion que nous attribuons à la transition vers le régime de Reynolds et qui apparaît d'autant plus tôt lors de la relaxation vers l'équilibre que λ est élevé. Dans le régime de transition, fne dépend que de l'écart à la position d'équilibre et de λ. En régime de Reynolds, fest une fonction croissante de λ, 〖Bo〗_p et β, en accord avec le modèle de drainage de Hartland.

L'objectif de cette thèse est de mettre en place un cadre numérique qui permet de simuler la réponse de structures en béton armé de taille industrielle soumises à des impacts sévères. Notre modèle repose sur trois ingrédients principaux : 1) la modélisation éléments discrets (ED) du béton, permettant de profiter de la nature « discrète » de cette formulation et de décrire facilement l'apparition et la propagation des discontinuités fortes de la matière ; 2) la modélisation éléments finis (EF) poutre des armatures, donnant la possibilité de représenter toute la complexité du ferraillage que l'on rencontre dans les structures industrielles en béton armé ; 3) un modèle de liaison acier-béton original, que nous avons proposé et mis en œuvre dans le code EUROPLEXUS, et qui constitue le principal apport de cette thèse. Nous avons effectué une étude théorique et numérique sur la stabilité et la précision de ce modèle de liaison, et avons calibré ses paramètres en simulant un essai d'arrachement. En modélisant l'essai de traction d'un tirant (barre en béton contenant une armature), nous avons montré la capacité de notre modèle à reproduire le transfert des efforts entre le béton et l'armature au niveau de l'interface acier-béton. Testé et validé sur des cas-tests élémentaires, le modèle mixte ED-EF a ensuite été appliqué à la simulation de vraies structures en béton armé. Nous avons simulé de manière détaillée quelques essais connus (l'impact mou sur poutre CEA, l'essai Meppen II-4), ce qui a permis de valider l'ensemble de notre approche numérique et de recueillir des éléments pour définir les pistes d'amélioration des modèles que nous avons mis en œuvre. / The aim of this work is to set up a numerical framework to simulate the behaviour of industrial size reinforced concrete structures subjected to severe impacts. Our model is based on three main features : 1) modeling of the concrete with a discrete method to handle easily strong material discontinuities such as initiation and propagation of macro-cracks ; 2) modeling of the reinforcement bars with finite element method to be able to represent complex reinforcement cages of industrial structures ; 3) an original steel-concrete bond model that we proposed and implemented in the dynamic explicit code EUROPLEXUS and that constitutes the main task of this work. We studied theoretically and numerically this model to guarantee its stability and precision during the time integration. We calibrated its parameters by simulating pull-out tests. To verify our model, we simulated a tie-test (a long concrete column which contains a reinforcement bar) and showed that our model ensures the correct transfert of forces between steel and concrete. After testing our model on simple benchmarks, we simulated real reinforced concrete structures subjected to impacts (soft impact on a beam, Meppen test n°II-4), allowing us to validate our numerical approach and to define some perspectives to improve the models we have developped.

La ferrite résiduelle δ est présente dans les microstructures de coulée des aciers inoxydables austénitiques. Elle résulte de la transformation incomplète δ→γ ayant lieu l'étape de solidification. Sa présence peut nuire à la forgeabilité à chaud des aciers inoxydables et peut conduire à la formation de criques de rives et de pailles en J lors du laminage à chaud des brames. Ce travail de thèse a pour but de comprendre les mécanismes de la transformation δ→γ à haute température dans les aciers inoxydables austénitiques via une modélisation expérimentale et numérique. La transformation a été étudié dans un alliage ternaire Fe-Cr-Ni coulé par lingot et de composition proche de celle des alliages industriels. Trois morphologies de ferrite ont été mises en évidence à l'état brut de solidification: lattes au bord du lingot, vermiculaire et lattes au centre. Leur cinétique de dissolution est étudiée à des températures allant de 1140°C à 1340°C et caractérisée en termes de fraction de ferrite et profils de composition du Cr et du Ni. La dissolution de la ferrite vermiculaire comprend trois étapes : une croissance initiale transitoire suivie par deux régimes de dissolution à haute puis à faible taux de transformation. D'un autre côté, il a été possible d'étudier la dissolution de la ferrite dans des microstructures multicouches élaborées par l'empilement de plaques de ferrite et d'austénite du système Fe-Cr-Ni et soudées à l'état solide par Compression Isostatique à Chaud puis réduits en épaisseurs par laminages successifs. L'étude et la caractérisation de la cinétique de dissolution de la ferrite est plus facile dans ces microstructures étant donnée la planéité initiale des interfaces δ/γ. L'analyse des résultats expérimentaux a été menée via le développement d'un modèle numérique, à interface mobile, de la transformation de phases δ→γ pilotée par la diffusion. La diffusion peut être traitée dans les géométries plane, cylindrique et sphérique. En guise de validation, le modèle a été utilisé pour analyser la dissolution de la ferrite dans les microstructures multicouches. Par la suite il a été appliqué au cas de la ferrite vermiculaire en usant d'une approche novatrice où la morphologie des dendrites est approximée par une combinaison de cylindres et de sphères. Malgré la simplicité des hypothèse sous-jacentes, le modèle a permis d'expliquer les mécanismes de croissance initiale et de changement de régime de dissolution. D'autre part, via une étude paramétrique, l'effet des données d'entrée a été étudié et les plus pertinentes d'entre eux en termes de prédiction quantitative ont été mises en avant, en particulier la description thermodynamique du digramme Fe-Cr-Ni, le gradient initial et la distribution des rayons des particules de ferrite. / Residual δ-ferrite is widely encountered in the as-cast microstructure of austenitic stainless steels. It stems from the incomplete high temperature solid-state δ→γ transformation occurring upon the solidification stage. Its presence has a detrimental effect the hot workability of stainless steels, leading to the formation of edge cracks and sliver defects during slabs hot rolling. This PhD work aims at bringing more understanding of the kinetics of high temperature δ→γ transformation in austenitic stainless steels via experimental and numerical modeling. The transformation was studied in a ternary Fe-Cr-Ni ingot-cast alloy with composition close to the industrial alloys. Three ferrite morphologies were identified: lathy at the edge of the ingot, vermicular and lathy at the center. Their dissolution kinetics were established at temperatures ranging from 1140°C to 1340°C and characterized in terms of ferrite fraction and Cr and Ni diffusion. The vermicular ferrite undergoes a transient growth followed by a high then a low rate dissolution regimes. On the other hand, ferrite dissolution was also studied in the multilayered microstructures. such microstructures were elaborated by alternating ferrite and austenite sheets of the Fe-Cr-Ni system, diffusion-bonded by Hot isostatic Pressing and reduced in thickness by successive rollings. Dissolution is easier to handle in such microstructures thanks to the initial planar δ/γ interfaces. Analysis of the experimental results were carried out with a numerical moving-boundary model of diffusion-controlled δ→γ transformation. Diffusion can be treated in the planar, cylindrical and spherical geometries. As a preliminary validation, the model was used to analyze kinetics of ferrite dissolution in the multilayered microstructures. It was then applied to the cast alloy using an original descriptive approach combining spheres and cylinders as equivalent morphology of dendritic ferrite. Although based on simplifying assumptions, the model was able to reproduce experimental results with satisfactory agreement. Mechanisms underlying the initial growth of vermicular ferrite and the transition in dissolution regimes were outlined. The effect of a wide range of input parameters has been considered and relevant parameters for quantitative calculations were brought to light, such as thermodynamical descriptions of the Fe-Cr-Ni system, composition gradients and distribution of ferrite's radii.