La détermination des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles des aciers laminés destinés à l'industrie automobile est un processus coûteux en temps et en quantité de matière : 25 éprouvettes et presque un mois d'essais sont nécessaires à l'obtention d'une courbe de fatigue standard. Dans l'objectif de réduire ces temps de caractérisation, une méthode rapide, basée sur l'auto-échauffement de la matière sous sollicitation cyclique est mise en place sur un très grand nombre de nuances. Les mesures d'auto-échauffement mettent en évidence la présence de deux régimes dissipatifs distincts, un pour les plus faibles amplitudes de chargement cyclique et un pour les plus hautes. Un modèle probabiliste à deux échelles est ensuite développé, dont le but est de prévoir le comportement en fatigue à grand nombre de cycles à partir des mesures d'auto-échauffement. Il est composé d'une matrice au comportement élasto-plastique et d'une population d'inclusions possédant un second comportement élasto-plastique dont le seuil d'activation est aléatoire. Les deux régimes d'auto-échauffement peuvent ainsi être décrits fidèlement. En utilisant l'hypothèse du maillon le plus faible et un critère énergétique, une prévision du comportement en fatigue est réalisée. Trois jours seulement sont alors requis pour obtenir une courbe de fatigue complète. La pertinence de l'approche est validée en comparant avec des courbes de fatigue standards. Puis, des observations par microscopie optique, par microscopie à force atomique et par EBSD sont entreprises sur un acier micro-allié. L'objectif est double : en premier lieu, mieux comprendre les phénomènes qui se produisent sous sollicitation cyclique conduisant à l'obtention des deux régimes d'auto-échauffement ; en second lieu, justifier la pertinence des ingrédients introduits dans la modélisation. Dans une seconde grande partie, il est question de l'influence d'une pré-déformation plastique sur l'évolution des propriétés en fatigue. En effet, les composants automobiles obtenus à partir de tôles en acier laminé subissent diverses opérations de mise en forme, conduisant à déformer plastiquement la matière. Ces modifications de l'état de la matière engendrent des évolutions des propriétés en fatigue qui ne sont cependant pas prises en compte dans le dimensionnement actuel des pièces (non déterminées par la méthode standard car trop coûteux en temps). La rapidité de la méthode développée autorise à caractériser ces évolutions. A partir des modifications des propriétés à l'auto-échauffement après divers modes de pré-déformation plastique (traction, traction plane, cisaillement) et en étudiant diverses directions de sollicitation, il est possible de prévoir l'évolution des propriétés en fatigue associée pour de larges gammes de pré-déformations. La qualité des prévisions est validée en comparant avec des courbes de fatigue standards. / The determination of high cycle fatigue properties of high strength steel sheets for automotive industry is time and specimens consuming : 25 specimens and almost one month are required to obtain a traditional fatigue SN curve. In order to reduce the time dedicated to the fatigue characterization, a fast method, based on the self-heating of steels under cyclic loading is developed and applied to a wide range of grades. Self-heating measurements show the presence of two distinct dissipative regimes, a firstone for the low amplitudes of cyclic loading and a secondary one for the highest. A two scales probabilistic model is then developed in order to establish a dialogue between self-heating measurements and the fatigue properties. It is composed by a matrix having an elasto-plastic behaviorand a population of inclusions having a second elasto-plastic behavior with a random activation threshold. Both self-heating regimes can be perfectly described. By using the weakest link theory and an energetic criterion, a prediction of fatigue properties is made. Only three days are required to obtain acomplete fatigue curve. The pertinence of the approach is validated by a comparison with standard fatigue curves. Then, observations with optical microscopy, atomic force microscopy and EBSD are made on a high strength low alloyed steel grade. This study has two objectives: a better understanding of phenomenon occurring during cyclic loading leading to the two self-heating regimes; a justification of the ingredients introduced into the model. In a second important section, it deals with the influence of aplastic pre-strain on the fatigue properties evolution. Indeed, automotive components obtained from high strength steel sheets are subjected to primary forming operations, inducing plastic strain. These modifications lead to fatigue properties evolutions that are nevertheless not taken into account intraditional fatigue design of components (not determined with the standard method because ofprohibitive time). The speed of the proposed approach authorizes to characterize these evolutions. From the modifications of the self-heating properties after different modes of plastic pre-strain (tension, planetension, shearing) and by studying different directions of loading, it is possible to predict the fatigue properties evolutions for a wide range of plastic strain. The quality of the predictions is validated by acomparison with standard fatigue curves.

Les pièces des structures aéronautiques telles que les arbres des turboréacteurs, les roues, les freins ou les trains d’atterrissage sont fabriquées avec des aciers à très haute résistance. Leur structure martensitique, renforcée par des précipités de taille inférieure au micromètre, confère à ces aciers une excellente résistance : leur limite d'élasticité peut dépasser les 1900 MPa et leur résistance mécanique atteindre les 2300 MPa. Ces matériaux sont choisis pour ces excellentes propriétés mécaniques sur la base de leur comportement en traction. Toutefois, leur déformation à striction (maximum de la charge) est de quelques pourcents seulement. Les méthodes de dimensionnement sous chargement critique actuelles considèrent qu’aucun point de la structure ne doit être soumis à une déformation supérieure à la déformation à striction. Ce type d’approche est ici très conservatrice puisque les aciers THR continuent de se déformer plastiquement, ceci jusqu’à plusieurs dizaines de pourcent après le début de la striction. L’objet de ces travaux est de définir un modèle d’amorçage de la rupture applicable au dimensionnement de ces structures pour un acier type : le ML340. Ce matériau est actuellement utilisé dans les arbres de turboréacteur LEAP.Le comportement élasto-plastique du matériau a été étudié grâce à des essais menés sur différents types d’éprouvettes : tractions lisses, axisymétriques entaillées, déformation plane, plates entaillées, traction-torsion. Un modèle simple de von Mises à écrouissage isotrope permet de reproduire l’ensemble de la base. Ce modèle est ajusté sur les essais de traction pour lesquels un suivi optique de la variation du diamètre minium a été mis en place. La loi d’ ́écrouissage est ensuite ajustée en prenant en compte à la fois l'élongation et la variation du diamètre. On montre en particulier que l'extrapolation du comportement, méthode consistant à prolonger les données obtenues avant l'apparition de la striction, peut conduire à une mauvaise prédiction du comportement des éprouvettes.La base expérimentale a également été employée pour étudier l’amorçage de la rupture. L’observation des faciès montre un mode de rupture ductile avec des cupules fines. Cependant, l'initiation est brutale pour tous les essais et le développement de l’endommagement en volume reste très limité, voire nul. Ces constatations conduisent à proposer l’emploi d’un critère d’amorçage découplé : ce modèle fait intervenir la triaxialité des contraintes et le paramètre de Lode. Cette double dépendance est nécessaire pour bien décrire la rupture sur toute la base expérimentale. L’identification des paramètres du modèle se base sur l'évaluation des champs mécaniques à partir des simulations élasto-plastiques par éléments finis représentant les essais. Le modèle est également capable de prédire les emplacements des points d’amorçages observés, ces informations peuvent être utilisées pour ajuster plus finement le modèle. / Aeronautical structures such as jet engines shafts, wheels, brakes or landing gears are made of Ultra High Strenth Steels (UHSS). Due to their hard martensitic matrix reinforced with second phase particles, such steels exhibit extreme mechanical resistance, their yield strength can overcome 1900 MPa and their ultimate tensile strength can reach 2300 MPa. Such materials are selected based on their tensile properties, however strain at necking (maximum load) is only few percent. Conventional certified design methods assume that failure occurs when a given point of the structure reaches this strain. Regarding UHSS this approach is very conservative; those materials are still able to bear large strains after necking start. The aim of this work is to define a failure initiation model able to predict ductile failure of such structures for extremes loadings. The ML340 steel, material of LEAP jet-engine shafts, have been selected for this study.Elasto-plastic behavior is investigated with various mechanical tests. Uniaxial tensile test were performed on round bars specimens, either smooth or notch, and flat specimens, either u notched or plane strain. Traction/torsion and compression/torsion biaxial tests were performed on tubes specimens. A simple isotropic von Mises plasticity model was found sufficient to describe mechanical behavior of this experimental database. This model was calibrated based on round smooth tensile tests, a longitudinal extensometer and a non contact method, measuring diameter reduction, were used in order to monitor strains. Hardening law was adjust with both sets of data using a reverse method, hence material striction is take into account during the identification. Identification method extrapolating plastic behavior based on tensile data measured before the striction begining is shown to overperdict plastic behavior.Failure initiation was also investigated through fracture tests. Every fractography display very fine dimples related to ductile fracture, however fracture apears to be very brutal and very few damage was observed underneath fracture surface. As a result an uncoupled fracture initiation model is proposed, damage indicator is driven by both stress triaxiality and a Lode parameter. This dual dependency is necessary in order to represent fracture for the whole database. Model parameters identification relies on the evaluation of local stress state for each test, this could be achieved with 3D elasto-plastic simulations. As a result fracture model was able to predict correct fracture initiation point positions observed on round tensile tests and flat u notch tests.

Les mécanismes de déformation des aciers TWIP austénitiques Fe22Mn0.6C ont été étudiés par une analyse quantitative des profils des pics de diffraction aux rayons X. Les densités de dislocations et les probabilités de fautes d'empilement ont été déterminées en utilisant respectivement le modèle de Wilkens et la théorie de Warren. Cette approche de l'analyse des profils de raie a été modifiée pour prendre en compte l'effet des empilements de dislocations provoqués par le glissement planaire de celles-ci dans les métaux CFC à faible énergie de faute d'empilement. L'analyse quantitative du champ de contrainte moyen en tête des empilements de dislocations montre que celui-ci est égal au back-stress dans ces matériaux, ce qui nous a permis une mesure non destructive de celui-ci. <br />Les résultats de cette méthode ont été confirmés à l'aide de l'indexation automatique de clichés de diffraction en microscopie électronique et de densités de dislocations mesurées par variation de la masse volumique issues de la littérature. Cette méthode a également été appliquée avec succès sur un échantillon standard, en l'occurrence un monocristal de cuivre.<br />Nous avons confirmé que les mécanismes de déformation des aciers Fe22Mn0.6C, basés principalement sur la formation de martensite à très basse température, laissent place à un maclage intense à température ambiante puis au seul glissement des dislocations à haute température. L'analyse quantitative que nous avons développée a été également appliquée à des aciers TWIP Fe22Mn0.6C restaurés. La comparaison des mesures de densités de dislocations et du back-stress avec l'évolution de la contrainte d'écoulement durant le traitement thermique démontre clairement que le durcissement induit par le maclage n'est pas identifiable au back-stress.

A la température de service (320°C), la ferrite des composants en acier inoxydable austéno-ferritique du circuit primaire des centrales nucléaires subit un vieillissement par transformations microstructurales. Cette phase devient alors fragile et la résilience du matériau chute.<br />L'objectif de ce travail est d'étudier les vitesses et les mécanismes de propagation de fissure par fatigue en fonction du vieillissement et de la température d'essai (20°C/320°C). Pour cela, deux aciers moulés (30 % de ferrite) sont testés. Dans le but de mieux comprendre le rôle joué par l'orientation cristallographique des phases dans le mécanisme de propagation, la microstructure du matériau est étudiée par diffraction des électrons rétrodiffusés (ESBD) et par Trempe en Solidification Dirigée. Des éprouvettes sont également prélevées de telle sorte que la fissure se propage au travers de structures de solidification équiaxes et basaltiques. Microstructure, propriétés mécaniques en fatigue / fissuration et mécanismes sont alors reliés. Pour la gamme de delta K balayée, la fissure avance sans chemin préférentiel par une rupture successive des lattes de chacune de phases. Le plan macroscopique de fissuration, déterminé par ESBD, est imposé par l'orientation cristallographique du grain ferritique. Ainsi, selon la structure de solidification, des fissures secondaires peuvent apparaître ce qui influe sur les vitesses de propagation.<br />La fermeture de fissure, mesurée afin d'estimer les vitesses de propagation intrinsèques au matériau, diminue avec le vieillissement ce qui s'explique par l'accroissement de la composante cinématique du comportement plastique cyclique. La pente de la droite de Paris déterminée à partir de vitesses intrinsèques augmente avec le vieillissement. Le domaine de vitesse peut alors être séparé en deux parties : celle pour laquelle les vitesses sont plus faibles dans le matériau non vieilli et celle pour laquelle la tendance est inversée.

Le procédé de soudage TIG met en jeu un arc électrique entre une électrode réfractaire de tungstène et les pièces à souder. L'électrode et la zone fondue sont protégées contre la pollution ambiante par une atmosphère neutre d'argon. Ainsi, de est un procédé de prédilection dans les secteurs aussi variés que le nucléaire, l'aéronautique, les industries chimiques et agro-alimentaires.<br />Nonobstant ces qualités, ce procédé souffre d'un lourd handicap : sa faible productivité, particulièrement dans le cas des pièces de forte épaisseur. En effet, au-delà de 3mm d'épaisseur, il est nécessaire d'usiner les bords à souder et de faire des passes multiples avec du métal d'apport. L'accroissement du nombre de passes multiplie les risques de défauts et augmente les déformations et accroît la zone thermiquement affectée.<br />Il parait alors intéressant de disposer d'un procédé simple permettant de s'affranchir des faibles pénétrations inhérentes aux soudures TIG.<br />Il nous a semblé opportun de développer une technique permettant d'étendre les domaines d'utilisation du soudage TIG de 3 à 7mm d'épaisseur soudable maximale sans préparations. Cette technique appelée ATIG consiste à déposer, en endroit du joint à souder un flux activant qui va, au passage de l'arc électrique, modifier les courants de convection dans le bain de fusion, ainsi que l'équilibre électrochimique du plasma.<br />Ce document traite du développement de ces produits, ainsi que de la mise en évidence des mécanismes d'activation opérant au cours du soudage.<br />Ce travail, mené en collaboration avec la société B.S.L.i a conduit à la formulation de deux compositions (appliquées respectivement aux aciers inoxydables et aux alliages de titane) en phase de commercialisation par la société CASTOLIN S.A., ainsi qu'à la réalisation industrielle d'une colonne chimique avec plus de 2200 soudures ATIG orbitales.

Pour les nouveaux réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium de Génération IV, les matériaux de gainage de référence pour les très forts taux de combustion sont les nuances ferritiques et martensitiques renforcés par une dispersion d'oxydes nanométriques (ODS). A l'heure actuelle le tube de gainage est mis en forme à froid à partir d'une ébauche tubulaire par une succession de passes de laminage à pas de pèlerin et de traitements thermiques intermédiaires. La modélisation numérique du procédé de laminage à pas de pèlerin pour ces nuances a été entreprise. Le modèle numérique d'élément finis tient compte de la cinématique complexe du procédé ainsi que du comportement du matériau sous chargements cycliques élasto-plastiques. Pour cela, le comportement cyclique des aciers ODS a été modélisé à l'aide d'un modèle élasto-plastique développé par Chaboche. Une procédure d'identification des paramètres du modèle a été proposée en utilisant une méthode d'analyse inverse. Cette procédure a été appliquée aux données expérimentales issues d'un essai cyclique sur une seule éprouvette. Utilisant une séquence de différentes amplitudes de déformations. Par ailleurs, l'utilisation de capteurs numériques a permis de suivre le chemin de déformation d'un élément de volume au cours du procédé afin d'estimer la nature et l'amplitude des déformations cycliques. L'identification du chemin de déformation est la première étape vers une meilleure compréhension des conditions critiques menant à des dommages et de fissures. L'acier ODS est également fortement texturé et mécaniquement anisotrope. Par conséquent, la possible influence de cette anisotropie sur le chemin de déformation est analysée en utilisant (i) une loi de comportement isotrope, et (ii) une loi anisotrope basée sur le critère de Hill quadratique. L'intégration d'une loi adaptée pour la prédiction de dommages ainsi que le choix d'une loi de comportement appropriée dans le modèle numérique proposé conduisent à la possibilité d'analyser les conditions pour lesquelles les fissures peuvent se développer, et la recristallisation peut avoir lieu au moment des traitements thermiques.

Au cours d'une irradiation neutronique à long-terme dans les Réacteurs à Eau Pressurisée (REPs), une modification importante du comportement mécanique des matériaux utilisés dans les internes de cuve (composés des aciers inoxydables austénitiques de la série 300) est observée, y compris un durcissement et un adoucissement induit par irradiation, une perte de la ductilité et de la ténacité. Jusqu'à présent, beaucoup efforts ont été contribués pour identifier les effets d'irradiation sur l'évolution microstructurale du matériau (dislocations, boucles de Frank, cavités, ségrégation, etc.). Le gonflement induit par irradiation, considéré comme un facteur limitant la durée de fonctionnement des réacteurs, pourrait modifier les propriétés mécaniques des matériaux (plasticité, ténacité, etc), même conduire à une distorsion des structures du fait des modifications dimensionnelles entre les différentes composantes.L'objectif principal de ce travail de thèse est d'étudier qualitativement l'influence de l'effet du gonflement sur le comportement mécanique des matériaux irradiés. Un modèle micromécanique constitutif en grandes déformations basé sur les évolutions de la densité de dislocations et de défauts d'irradiation (boucles de Frank) est développé et implémenté dans les codes de calcul éléments finis ZéBuLoN et Cast3M. Les simulations numériques sont réalisées pour calculer les propriétés mécaniques d'un agrégat polycristallin. Par ailleurs, la technique d'homogénéisation est appliquée pour développer un modèle de type Gurson. Les simulations d'une cellule poreuse sont utilisés pour étudier le comportement mécanique des monocristaux poreux, en tenant compte des différents effets de la triaxialité, de la porosité et de l'orientation cristallographique, afin d'étudier l'effet de la présence des cavités sur la plasticité et la rugosité du matériau irradié à l'échelle polycristallin.

Les aciers inoxydables austénitiques de type 304L et 316L sont largement employés dans le circuit primaire des centrales nucléaires à Réacteurs à Eau sous Pression (REP). Le retour d'expérience indique la présence d'un nombre limité de fissures intergranulaires dues à la corrosion sous contrainte (CSC) sur des composants en acier inoxydable écroui. Il a été démontré qu'une pré-déformation importante associée à un chargement cyclique favorise la propagation des fissures de CSC. L'objectif de l'étude est d'améliorer la compréhension du rôle de la pré-déformation par traction ou par laminage sur les mécanismes d'amorçage de la CSC pour les aciers inoxydables austénitiques. Le comportement mécanique des matériaux écrouis a été caractérisé et des essais d'amorçage en milieu primaire simulé ont été réalisés sur des éprouvettes entaillées. L'ensemble des essais d'amorçage réalisés a confirmé un fort effet du trajet de chargement sur la sensibilité à l'amorçage des matériaux étudiés, quel que soit le niveau de pré-déformation. Un critère global a été proposé pour réunir les deux aspects de l'amorçage de la fissuration que sont la densité de fissures et leur profondeur. Ce critère est utile pour caractériser l'amorçage tandis que la profondeur maximale de fissure est le paramètre pertinent pour définir la transition entre propagation lente et propagation rapide. Des cartes de sensibilité à l'amorçage vrai ont été établies. Une profondeur critique de fissure de 10 à 20 µm a été déterminée pour les aciers 316L A et B pré-déformés par laminage. Elle est comprise entre 20 µm et 50 µm pour les matériaux pré-déformés par traction. Une ébauche de modèle d'ingénierie applicable aux aciers inoxydables austénitiques a été proposée : l'effet de la température est négligeable dans la gamme 290°C-360°C et l'impact de la contrainte sur le temps pour obtenir la transition varie comme (max/Rp0.2, T°C)11,5. L'effet du trajet de chargement ainsi que de l'écrouissage de surface dû à l'usinage sont intégrés indirectement à l'indice de contrainte, à ce stade du modèle. L'effet " matériau " observé dans cette étude tient principalement à l'effet du trajet de déformation. La puissance élevée de la dépendance à la contrainte traduit l'intégration de différents paramètres favorisant la localisation de la déformation. Pour cette raison, il sera nécessaire de définir le champ des contraintes locales pour parvenir à une modélisation plus physique.

Les aciers inoxydables sont de plus en plus utilisés comme renfort du béton dans lesconstructions marines et côtières, afin de prévenir la corrosion induite par les ions chloruresqui pénètrent dans le béton poreux. L'ajout de molybdène dans les aciers inox contribue àaugmenter leur résistance à la corrosion par piqure lorsqu'ils sont utilisés dans desenvironnements acides et neutres. Cependant, le rôle du Mo sur la corrosion par piqûre desaciers en milieu alcalin chloruré reste à ce jour flou et peu étudié. Par conséquence, lacompréhension de l'action du Mo dans la résistance à la corrosion en milieu alcalin est doncd'une importance majeure. Cela permettra l'optimisation de la composition finale des alliagesinoxydables en vue des applications potentiels comme renfort dans le béton. Ainsi, cette thèsevise à étudier l'effet de l'addition du Mo sur les propriétés de corrosion par piqûre des aciersinoxydables austénitiques, ferritiques et surtout lean duplex en milieu alcalin. Finalement, lerôle du Mo sur les aciers inoxydables a été discuté en termes de leur résistance à la corrosionlocalisée, cinétique de repassivation et propriétés de passivation dans plusieurs milieuxagressifs, mais surtout dans une solution chlorurée synthétique qui simule les environnementsporeux du béton (solution de pH10 avec des ions carbonates et chlorures).

La fissuration à chaud de solidification qui est l'un des problèmes majeurs rencontrés dans le cadre du soudage pourrait être préjudiciable à la tenue en service de structures mécano-soudées. Ce phénomène correspond à la formation de fissures en fin de solidification sous l'effet des déformations induites par les contraintes thermiques et le retrait de solidification. Ces travaux de thèse portent sur la modélisation de la fissuration à chaud dans un alliage base nickel en soudage TIG. L'objectif est de proposer une méthodologie permettant d'estimer le risque de fissuration dans l'Inconel 600. Pour cela des essais de soudage instrumentés en température ont été développés de manière à déterminer les conditions d'apparition et de propagation du défaut. Ces essais ont ensuite été modélisés dans l'optique d'établir un critère de fissuration fondé sur la déformation de l'alliage en fin de solidification, déformation qui ne peut être mesurée expérimentalement. La principale valeur ajoutée de cette étude réside dans le fait que le comportement viscoplastique du matériau utilisé lors de la modélisation a été déterminé expérimentalement de la température ambiante à la zone de transition pâteuse au moyen d'essais de caractérisation mécanique spécifiques. Les essais réalisés à l'état semi-solide pour des températures avoisinant 1400 °C ont notamment alimenté un modèle de zone cohésive permettant de modéliser la propagation des fissures. Cette approche couplant expériences et modélisation a ainsi conduit à l'identification d'un critère de fissuration à chaud intrinsèque à l'Inconel 600. / Hot cracking which is one of the major problems in welding may be prejudicial to the safety of welded structures. This phenomenon corresponds to the formation of irreversible cracks at the end of solidification, due to tensile strains associated with solidification shrinkage and thermal contraction. This work focuses on the hot cracking modeling during the welding of a Nickel based alloy. The aim is to propose a methodology which allows estimating the hot cracking risk in the Inconel 600 alloy. To achieve that purpose, self-restrained welding tests with temperature measurements have been developed in order to identify the conditions leading to the defect formation and propagation. These tests have then been modeled to establish a hot cracking criterion based on the strain applied on the alloy at the end of solidification, strain which cannot be experimentally measured. The originality of this study consists in the fact that the viscoplastic behaviour of the studied material (used for thermomechanical modeling) has been determined experimentally from room temperature up to the mushy zone using specific set-ups. Mechanical characterization tests performed in the semi-solid state at temperatures approaching 1400 °C also allowed feeding a cohesive element model leading to crack propagation modeling. This approach coupling experiments with modeling thus led to the identification of a hot cracking criterion intrinsic to Inconel 600.