Inscrit au sein d'un grand projet aboutissant à la mise en œuvre des réacteurs nucléaires de génération IV, ce travail de thèse porte sur l'étude des aciers martensitiques revenus à 9 % de chrome. Actuellement utilisés pour des applications à haute température, notamment dans les centrales thermiques, ils présentent en fatigue et en fatigue-fluage un phénomène d'adoucissement mécanique et des évolutions microstructurales particulièrement prononcées : disparition de nombreux joints de sous-grains, baisse de la densité de dislocations, apparition et/ou grossissement de précipités et de nouvelles phases. Les objectifs principaux de cette thèse sont (i) d'établir expérimentalement une corrélation entre l'adoucissement mécanique des aciers à 9 % de chrome constaté en fatigue à 550 °C et l'évolution de leur microstructure au cours de ce type de sollicitation et (ii) de modéliser les mécanismes physiques de déformation afin de prédire le comportement mécanique de ces aciers sous chargement cyclique. Une étude des propriétés mécaniques en traction monotone et sous sollicitations cycliques à 550 °C a été conduite sur un acier de Grade 92 (9Cr-0,5Mo-1,8W-V-Nb). L'expertise des éprouvettes de traction suggère que l'adoucissement du matériau est principalement lié à une augmentation de la taille moyenne des sous-grains de plus de 15 % par rapport à l'état initial. L'étude de l'évolution de la contrainte macroscopique durant les essais cycliques montre que l'adoucissement du matériau est dû à la diminution de l'écrouissage cinématique. Les observations effectuées au MET montrent une augmentation de la taille moyenne des sous-grains comprise entre 65 et 95 % et une diminution de la densité de dislocations de plus de 50 % dans le matériau après les essais de fatigue, par rapport à l'état initial. Un modèle auto-cohérent à champs moyens fondé sur l'élastoviscoplasticité polycristalline, prédisant le comportement mécanique macroscopique du matériau et l'évolution microstructurale au cours de la déformation est proposé. En décrivant les mécanismes de déformation à partir d'observations microstructurales, le modèle utilise seulement deux paramètres ajustables (énergie et volume d'activation) liés aux mécanismes de déformation viscoplastique. Les valeurs de l'ensemble des autres paramètres sont fixées grâce à des mesures expérimentales ou des calculs issus de la littérature. Le modèle prédit correctement l'adoucissement macroscopique et donne une bonne tendance des évolutions microstructurales au cours de la déformation. L'étude paramétrique montre une bonne stabilité des prédictions dès lors que les paramètres expérimentaux varient dans un intervalle de mesure physiquement acceptable. Enfin, quelques perspectives d'amélioration du modèle sont testées et des essais de torsion cyclique avec et sans contrainte moyenne sont simulés.

Jusqu'ici, la modélisation du comportement mécanique d'un acier inoxydable duplex n'a été entreprise qu'à l'aide de modèles phénoménologiques (Aubin01), qui ne prennent pas en compte le caractère biphasé du matériau, et polycristallin de chaque phase. De plus, l'identification des paramètres matériau nécessite une large base d'essais. Ceci a motivé le développement d'un modèle muti-échelles polycristallin biphasé.<br />Deux modèles de la littérature sont étendus à l'acier duplex. Les comportements des grains austénitiques et ferritiques sont décrits via des lois de plasticité cristallines. L'identification des paramètres matériau ne demande que deux essais mécaniques simples et des données de la littérature. Les modèles proposés rendent bien compte des premières boucles d'hystérésis d'essais de traction-compression/torsion non-proportionnels et de l'évolution des surfaces de plasticité.<br />Puis, l'adoucissement cyclique a été expliqué à partir d'analyses MET. Celles-ci ont montré que les deux phases participent à l'adoucissement cyclique. Cependant, dans une première approche, seul le réarrangement des dislocations en zones dures et molles dans les grains ferritiques a été modélisé. Les résultats montrent que le nouveau modèle prédit bien le durcissement et l'adoucissement cyclique, et les boucles d'hytérésis au cycle stabilisé.<br />Enfin, les champs cinématiques issus d'un calcul de microstructure ont été comparés à ceux mesurés (El Bartali07). Une bonne concordance est observée suite à un trajet de traction monotone, l'écart est plus important pour un trajet de traction-compression.

Le travail s'intéresse aux effets de l'histoire de chargement sur le comportement et la durée de vie en fatigue de deux nuances (THYSSEN et CLI)d'un acier inoxydable austénitique 304L à la température ambiante. Les essais ont été réalisés en utilisant deux catégories d'éprouvettes. Les éprouvettes de la première catégorie (vierges) ont été soumises à des essais classiques de fatigue,alors que celles de la deuxième ont subi, avant les essais de fatigue, un pré-écrouissage monotone ou cyclique en déformation imposée. Les éprouvettes vierges manifestent un adoucissement cyclique suivi d'un durcissement cyclique alors que les éprouvettes pré-écrouies ne présentent qu'un durcissement cyclique. Les résultats montrent une grande influence du pré-écrouissage qui semble bénéfique en contrainte imposée, mais néfaste en déformation imposée,même en présence d'une contrainte moyenne de compression. Ces résultats sont discutés en termes d'évolution cyclique du module d'élasticité, des écrouissages isotropes et cinématiques, et de la densité d'énergie absorbées par cycle, dans différentes configurations : avec ou sans pré-écrouissage, en contrainte ou déformation imposées...

Les applications pour lesquelles des élastomères sont soumis à des sollicitations cycliques sont nombreuses. Des charges sont généralement utilisées afin d'améliorer leurs propriétés, cependant, elles induisent également un adoucissement important de la contrainte lors de sollicitations cycliques. A ce jour, les phénomènes physiques conduisant à l’apparition de cet adoucissement ne sont pas clairement établis et sa modélisation demeure une difficulté majeure.Afin d'étudier l'adoucissement, des élastomères chargés sont soumis à des chargements cycliques. Des méthodes de caractérisations originales sont proposées afin de quantifier les effets de l'intensité du chargement et du nombre de cycles. Pour faire le lien avec la microstructure du matériau, plusieurs mélanges de compositions différentes sont utilisés. Des chargements non proportionnels de traction uniaxiale et biaxiale sont appliqués afin de mettre en évidence l'anisotropie induite par l'adoucissement. Ces données expérimentales non conventionnelles sont utilisées afin de définir un critère général pour l'activation de l'adoucissement Mullins. Une loi de comportement fondée sur une analyse approfondie des données expérimentales est proposée. La modélisation est basée sur une approche directionnelle. L'adoucissement Mullins est modélisé en utilisant le concept d'amplification de la déformation et son activation est pilotée par un critère directionnel. La capacité du modèle à prédire les réponses d'un matériau ayant subit un historique de chargement non proportionnel est validée / Rubber-like materials are submitted to cyclic loading conditions in various applications. Fillers are always incorporated within rubber compounds. They improve the mechanical properties but induce a significant stress-softening under cyclic loadings. The physical source of the softening is not yet established and its modeling remains a challenge. For a better understanding of the softening, filled rubbers are submitted to cyclic loadings. In order to quantify the effects of the loading intensity and the number of cycles, original methods are proposed to characterize the softening. To study the influence of the material microstructure on the softening, compounds with various compositions are considered.Non proportional tensile tests including uniaxial and biaxial loading paths are applied in order to highlight the softening induced anisotropy. Such unconventional experimental data are used to provide a general criterion for the softening activation. A constitutive modeling grounded on a thorough analysis of experimental data is proposed. The model is based on a directional approach. The Mullins softening is accounted for by the strain amplification concept and is activated by a directional criterion. The model ability to predict non proportional softened material responses is demonstrated

Le travail s’intéresse aux effets de l’histoire de chargement sur le comportement et la durée de vie en fatigue de deux nuances (THYSSEN et CLI)d’un acier inoxydable austénitique 304L à la température ambiante. Les essais ont été réalisés en utilisant deux catégories d’éprouvettes. Les éprouvettes de la première catégorie (vierges) ont été soumises à des essais classiques de fatigue,alors que celles de la deuxième ont subi, avant les essais de fatigue, un pré-écrouissage monotone ou cyclique en déformation imposée. Les éprouvettes vierges manifestent un adoucissement cyclique suivi d’un durcissement cyclique alors que les éprouvettes pré-écrouies ne présentent qu’un durcissement cyclique. Les résultats montrent une grande influence du pré-écrouissage qui semble bénéfique en contrainte imposée, mais néfaste en déformation imposée,même en présence d'une contrainte moyenne de compression. Ces résultats sont discutés en termes d'évolution cyclique du module d'élasticité, des écrouissages isotropes et cinématiques, et de la densité d’énergie absorbées par cycle, dans différentes configurations : avec ou sans pré-écrouissage, en contrainte ou déformation imposées... / This study deals with the effect of the loading history on the cyclic behavior and the fatigue life of two kinds (THYSSEN and CLI) of 304L stainless steel at room temperature. The experiments have been performed using two specimens’ categories. The first one (virgin) has been submitted to only classical fatigue tests while in the second category, prior to the fatigue test, the specimen is subjected to a pre-hardening process under either monotonic or cyclic strain control. Cyclic softening followed by cyclic hardening are observed for the virgin specimens while only cyclic softening is exhibited by the pre-hardened specimens. The obtained results show that fatigue life is strongly influenced by the pre-hardening: it seems beneficial under stress control but detrimental under strain control, even in the presence of a compressive mean stress. The results are discussed regarding the cyclic evolution of the elastic modulus aswell as the isotropic and kinematic parts of the strain hardening, and strain energy density per cycle, in different configurations: with or without prehardening,stress or strain control...