Cette thèse s'inscrit dans un programme de développement technologique de la Société LEONI. Ce programme de recherche a pour principal objectif de disposer, à l'issue des trois années de l'étude, d'un panel de connaissances scientifiques le plus pertinent possible relatif à la durabilité des faisceaux électriques, et plus particulièrement aux cinétiques de corrosion associées aux assemblages entre des câbles électriques en alliage d'aluminium AA1370 et des pièces de connectique en cuivre pur. La société LEONI souhaite également maîtriser les différentes étapes de fabrication de ces composants. En effet, les propriétés du câble, qui est constitué de fils en alliage d’aluminium AA1370, sont conditionnées par chacune des étapes du procédé de mise en forme de ces fils. Ainsi les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont eu pour premier objectif d’analyser et de quantifier l’influence des différentes étapes de ce procédé de mise en forme sur le comportement en corrosion de l’alliage AA1370 sur la base d’une caractérisation précise de la microstructure du matériau aux différentes étapes du procédé. Les résultats mettent en évidence un couplage « résistance à la corrosion / paramètres microstructuraux critiques » à prendre en considération dans chacune des étapes de fabrication d’un câble en alliage AA1370. Ensuite, le comportement en corrosion d’un câble électrique a été étudié : les processus de corrosion mis en jeu au sein d’un câble constitué d’un nombre important de fils ont ainsi été identifiés, avec en particulier la problématique du confinement de l’électrolyte entre les différents fils du câble. Ces résultats montrent que la connaissance des processus électrochimiques se produisant sur un fil en alliage AA1370 ne suffit pas pour comprendre le comportement en corrosion d’un câble constitué de ces mêmes fils. La géométrie du produit final est un paramètre du 1er ordre. Enfin, le comportement en corrosion d’un assemblage entre un câble en alliage AA1370 et une pièce de connectique en cuivre pur a été étudié à l’aide de techniques de microscopie et d’électrochimie locale afin d’identifier les processus de corrosion mis en jeu lors du couplage galvanique Al/Cu en prenant en compte la géométrie particulière de l’assemblage. L’influence de l’agressivité du milieu sur la durabilité de ces assemblages a été étudiée en combinant l’ensemble des résultats avec ceux obtenus lors d’essais de corrosion industriels. L’étude dans son ensemble a permis de générer des avancées significatives dans la compréhension des mécanismes de corrosion à l’échelle de l’alliage AA1370 sélectionné mais également à l’échelle de l’assemblage. / This work was performed in the framework of a technological development program with LEONI. The aim of this research program was to provide technical skills and scientific knowledge on the durability in automotive harness environment of a wiring harness; it was focused on the corrosion behavior of an assembly between a AA1370 wire and pure Cu connector. Automotive wires are constituted of small diameter strands which are manufactured following a multistep forming process. Thus, the first objective of this work was to analyze the influence of each step of the forming process on the corrosion behavior of AA1370 alloy. The results show that a « microstructural parameters – corrosion resistance » relationship can be established and must be taken into account in each step of the forming process of a AA1370 strand arm. Then, the electrochemical processes occurring when the wire was exposed to an aqueous environment were investigated using electrochemical impedance measurements. The results show that the corrosion behavior of the wire was controlled by the formation of a confined electrolyte between the strand arms. Therefore the knowledge of the electrochemical processes occurring for AA1370 alloy strands was not sufficient to explain the corrosion behavior of a wire made of the same strands. The investigation of wire specific corrosion behavior showed the benefits to work with a representative geometry of the final product instead of testing single strand alone. Then, the corrosion behavior of the assembly between a AA1370 wire and pure Cu connector was also investigated coupling electrochemical measurements and microscope observations, to identify the corrosion processes involved during Al/Cu galvanic coupling, considering a representative geometry of the assembly. Finally, the results from laboratory tests were compared to those from industrials validation tests in order to study the influence of the environment aggressiveness on the assembly durability. The study led to significant advances in the understanding of the corrosion mechanisms at the alloy scale and also at the assembly scale.

Dans le cadre de la démonstration de l’intégrité des composants nucléaires les plus sensibles, une analyse de la présence d’un défaut potentiel de type fissure peut être requise par la sureté nucléaire. Ceci est particulièrement le cas en présence de jonctions soudées. Pour assurer un conservatisme de cette analyse, la position du défaut postulé doit être la plus pénalisante possible. Les analyses réalisées pour des démonstrations similaires sur des structures en acier reposent sur une approche de type mono matériau utilisant le comportement du métal de base. Cette approche est la plus pénalisante dans le cas d’une soudure en overmatch mais doit être remise en cause dans le cas d’une soudure en undermatch. Dans ce cadre, cette thèse propose une méthodologie expérimentale et numérique permettant l’identification de la configuration la plus pénalisante vis-à-vis de la mécanique de la rupture d’une soudure en undermatch. L’application de cette méthode a été réalisée sur une soudure en faisceau d’électrons en Al6061-T6. Un gradient de propriétés mécaniques le long de la jonction soudée a été dans un premier temps identifié permettant la conduite d’une analyse fine basée sur une approche multimatériau. Dans un second temps, le comportement en ténacité de la jonction soudée a été étudié sur éprouvettes CT. La transférabilité du paramètre J à l’amorçage à une autre géométrie d’éprouvette a été démontrée ce qui constitue une base importante pour l’hypothèse de transférabilité vers des structures. Pour finir, une étude numérique sur un tube de grandes dimensions avec un défaut semi-elliptique a été développée en prenant en compte les contraintes résiduelles de soudage. Les résultats montrent que la zone affectée thermiquement à 13 mm du centre de la soudure considérée est la plus sensible en mécanique de la rupture, ceci remet par conséquent en question les méthodes traditionnelles menées dans des analyses à la rupture brutale qui consistent à considérer un défaut dans la zone fondue. / For the demonstration of the integrity of the most sensitive nuclear components, conventional defects, as cracks for example, must be considered within the design step as required by the nuclear safety authority. This phase is particularly crucial for dimensioning of welded structures. To ensure a conservative prediction, the position of the initial crack within the welded joint must be the most detrimental in fracture behavior. Commonly used analyzes consider homogeneous structure with the behavior of the base metal of the welded joint, considered as the weakest metallurgical zone in the case of an overmatched weld. In contrast, similar analysis is not conservative in case of undermatched weld. The thesis contributes by the development of an experimental and numerical methodology allowing the identification of the detrimental metallurgical zone in fracture behavior of an undermatched welded joint. The methodology proposed is applied to an electron beam welded joint on Al 6061-T6. To reach this goal, the gradient of the mechanical behavior along the welded joint was first identified. This is particularly interesting to conduct an advanced analysis based on a multimaterial approach. In a second step, the fracture behavior of the welded joint was studied on CT specimen. The transferability of the J integral at initiation was approved on another geometry: this represents an important foundation for the transferability assumption to structure. Finally, a numerical analysis on full scale tube was developed. Residual welding stresses and structural effects were considered. The results demonstrate that the heat affected zone located at 13 mm from the middle of the welded joint is the most detrimental zone for fracture analysis. This contradicts the conventional methods conducted on fracture analysis which consider a conventional defect within the fusion zone.

Les industries aéronautiques tentent de mettre au point de nouvelles structures plus résistantes et surtout réutilisables en vue d'accélérer la conquête de l'espace. A cet effet, le matériau composite à matrice intermétallique NiAl renforcée par des fibres longues d'alumine semble prometteur et adapté à ces applications. Les travaux présentés concernent a la fois l' élaboration du composite par infiltration liquide sous pression de gaz et l'étude du couplage fibre-matrice (F/M), phénomène prépondérant qui gouverne les caractéristiques macroscopiques du matériau. Le couplage a été étudié par le biais de la microscopie électronique en transmission et de la spectroscopie de photo-électrons X ; une approche thermodynamique du couplage a ete obtenue au travers de l'étude de mouillabilite du renfort par la matrice. Ces différentes caractérisations des interfaces et interphases sont correlées les unes avec les autres pour permettre une compréhension globale des phénomenes de couplage a l'interface F/M.

Ce travail porte sur le développement d'un outil de simulation numérique du traitement thermique des aciers. La simulation numérique d'un procédé aussi complexe nécessite la compréhension de la thermique, de la mécanique et de la métallurgie ainsi que de leurs interactions pendant tout le refroidissement. Cette étude se trouve au carrefour de plusieurs disciplines comme le numérique, la mécanique et la métallurgie. Dans le but de réaliser une étude complète, cette étude fait suite à de précédents travaux dans chacune des disciplines nommées, et a pour but de faire converger les connaissances dans ces domaines pour réaliser l'ensemble des couplages nécessaires pour une représentation réaliste du procédé. C'est tout naturellement que ce travail se décompose principalement en trois parties :<br/> Premièrement les méthodes numériques employées pour la résolution du problème thermomécanique sont décrites. Le modèle thermomécanique repose sur une loi de comportement thermo-élasto-viscoplastique additive à écrouissage isotrope et cinématique. Le modèle éléments finis est basé sur un traitement original de l'élément P1+/P1 dans le but de réduire le temps de calcul tout en conservant l'ordre d'interpolation de l'élément. Le couplage thermomécanique est un couplage alterné par incrément de type Gauss-Seidel. Ce couplage est géré par une gestion automatique du pas de temps pour assurer la convergence globale du système.<br/>Dans une deuxième étape, nous avons intégré un modèle de calcul des évolutions des cinétiques de transformation de phases au cours du refroidissement de pièces présentant un gradient de teneur en carbone.<br/>Finalement, nous avons développé les couplages métallurgie-thermomécanique, et l'ensemble de ces interactions est validé sur des géométries cylindriques. Enfin, au dernier chapitre nous présentons la confrontation modèle-expérience sur deux types d'application. Premièrement dans le cas de refroidissement naturel d'un coupon de rail, et deuxièmement sur la trempe d'un pignon automobile cémenté.<br/>La stratégie du modèle couplé permet d'envisager des simulations pour des cas industriels de la phase de refroidissement et de trempe du procédé de traitement thermique.

La modélisation, l'élaboration et la caractérisation de nouvelles brasures composites sans plomb à propriétés adaptatives est encouragée par les menaces d'interdiction du plomb dans l'industrie électronique ainsi que par la demande incessante de fiabilité accrue. Dans ce contexte, des joints de brasure composite à matrice Sn-3,8Ag-0,7Cu et renfort particulaire en alliage à mémoire de forme NiTi sont développés. Une caractérisation microstructurale et mécanique de la matrice sans plomb est effectuée. Les évolutions de la chimie et de la microstructure de la surface des particules de NiTi au cours des différentes étapes du procédé de dépôt d'un agent mouillant sur leur surface sont étudiées. Finalement la tenue à la fatigue thermomécanique de ces nouveaux matériaux est évaluée et met en évidence l'influence du renfort en alliage à mémoire de forme.

L'alliage 2024 (Al-Cu-Mg) est utilisé dans le cadre de l'allègement des structures de transport. Cependant, cet alliage est difficilement soudable par voie classique. Le soudage par friction malaxage (FSW) est un nouveau procédé permettant l'assemblage à l'état solide et donc de supprimer les défauts liés à la solidification. A travers cette étude, les microstructures de soudures FSW de cet alliage ont été finement caractérisées par SAXS, DSC, MET, MEB, EBSD et microscopie optique. Afin de mettre en évidence les interactions entre la déformation, la précipitation et la recristallisation qui ont lieu durant le soudage de l'alliage 2024, des expériences modèles ont été menées ainsi qu'une étude comparative entre l'alliage 2024 et l'alliage 5251. L'ensemble de la caractérisation des soudures et des expériences modèles permet de dégager les phénomènes métallurgiques pertinents contrôlant la résistance mécanique des joints soudés et leur microstructure. Par ailleurs, une caractérisation détaillées du comportement mécanique des joints soudés a été menée, validée par une modélisation aux éléments finis.

Les implants utilises comme biomateriaux sont fonctionnels, biocompatibles et certains bio-actifs. Il existe quatre familles de biomateriaux : les metaux et alliages, les ceramiques, les polymeres et les materiaux naturels. Des phenomenes d'usures (corrosion, frottement) generent des debris dans l'organisme. Ces debris engendrent differents problemes: toxicite, reactions inflammatoires, descellements prothetiques par lyse osseuse. Nature, taille, morphologie, quantite des debris sont des parametres qui influencent les reactions biologiques susceptibles de se produire. Nous avons caracterise la contamination metallique (migration, comportement in vivo, quantite, taille et nature des debris) provenant des protheses de genou au niveau du tissu capsulaire voisin. Les methodes PIXE-RBS et STEM-EDXS, principalement employees, sont des outils complementaires. Les debris sont repartis de facon heterogene dans l'articulation du genou. Ils migrent sur plusieurs milliers de micro m en profondeur. Pour les echantillons fortement pollues, les debris sont des grains d'alliages de dimension de l'ordre du micro m (PIXE). Les rapports massiques in vivo confirment la stabilite chimique des grains de TA6V et l'evolution des grains de CrCoMo. Une etude a l'echelle nanometrique (STEM-EDXS) montre une dissolution de grains de TA6V (micro m) en de plus petits (nm). Localement la presence de grains de phase αlpha indiquerait une dissolution preferentielle de la phase beta (joint de grain) avec largage de Al et de V elements carcinogenes et toxiques. Le developpement d'un protocole PIXE-histologie en cible mince, correle une analyse PIXE et histologique sur une meme zone. Ce protocole informe sur les pathologies liees aux contaminations metalliques, meme si leur teneur est de l'ordre du micro g/g, grace a la sensibilite de la methode PIXE. De plus l'innocuite vis a vis de la radioactivite de plusieurs biomateriaux naturels ou synthetiques est etablie, a l'aide de systeme de detection gamma ultra bas bruit de fond.

Caractérisation générale de la superplasticité et du procédé de mise en forme des tôles par pression gazeuse. Présentation d'une modélisation numérique permettant une meilleure maîtrise de ce procédé de fabrication notamment utilisé dans l'industrie aéronautique pour le formage de pièces de structures en tôles d'alliages de titane ou d'aluminium.

La modélisation du comportement des alliages à mémoire de forme présente un intérêt majeur pour la conception de dispositifs qui tirent profit des comportements spécifiques à ce matériau. En particulier, l'association de ces alliages avec d'autres matériaux permet de créer des matériaux composites adaptatifs. Une demande croissante de ce type de matériau nécessite le développement des outils de conception adaptés, notamment au niveau du calcul de structures. Cette thèse présente un modèle de comportement des alliages à mémoire de forme, en partant de la définition de l'énergie interne du matériau jusqu'à l'implémentation numérique dans un code de calcul industriel. Des exemples de modélisation de matériaux composites à base d'alliages à mémoire de forme sont développés, à des échelles tant macroscopique et microscopique.

De nombreuses études ont prouvé l'affaiblissement de la résistance de l'alliage 600 lors de l'oxydation en milieu primaire des réacteurs à eau pressurisée. Celle-ci induit la rupture localisée du matériau notamment par fissure intergranulaire. La nature ainsi que la structure de l'oxyde se développant à la surface de l'alliage sont parfaitement connues. Cependant, l'influence mécanique de l'oxyde sur l'alliage n'a pas été explorée. L'objectif de cette étude est d'apporter des connaissances nouvelles sur l'impact de l'oxydation sur la réponse mécanique de l'alliage. Un système d'analyse, basé sur l'utilisation de nanoplots comme marqueurs de position, a été développé et mis en œuvre afin de mesurer des déformations engendrées par l'oxydation puis par une traction. Le traitement statistique de ces données a permis de déterminer des évènements rares de haute déformation. Les échantillons utilisés ont été caractérisés par MEB, TEM, XPS et ellipsométrie spectroscopique afin d'en déduire l'épaisseur de la couche d'oxyde interne contraignant l'alliage. De plus, le couplage de l'EBSD avec les nanoplots a permis de déterminer un ensemble de paramètres pouvant servir de critère d'alerte à l'initiation de la fissuration intergranulaire.