Ce travail de thèse concerne l’étude et la modélisation de la fatigue à grand nombre de cycles des instruments endodontiques en Alliage à Mémoire de Forme (AMF) de type Nickel-Titane (NiTi). Ces outils sont plus souples et épousent mieux la forme plus ou moins complexe des racines. Ces deux avantages sont dus à un aspect tout à fait particulier du comportement mécanique de l’alliage NiTi : la super-élasticité qui permet au matériau de se déformer jusqu’à des niveaux de déformation pouvant atteindre 8% à 10%. En service, parfois, des cas de rupture d’outils dentaires arrivent, soit par déformation excessive, soit par fatigue ce qui complexifie la tâche du praticien. L’étude et la prévision de la rupture des outils en Nickel-Titane, que ce soit par déformation excessive ou par fatigue, sont des problèmes complexes. Nous nous sommes donc intéressés dans ce travail à l’étude de la fatigue à grand nombre de cycles des instruments dentaires en Nickel-Titane. Pour cela, nous avons mis en place trois blocs de travail. Le premier bloc concerne l’étude et la modélisation des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles des fils en NiTi utilisés pour la fabrication des instruments dentaires. Nous proposons de caractériser les propriétés HCF (high cycle fatigue) du NiTi à partir de mesures d’auto-échauffement sous sollicitation cyclique. Ces mesures vont alimenter un modèle probabiliste à deux échelles qui permet de modéliser les courbes de Wöhler du matériau. Ce modèle est ensuite validé par comparaison avec des résultats d’essais classiques de fatigue. Le deuxième bloc est dédié à la mise en place de la chaîne numérique pour la prévision de la tenue à la fatigue d’instruments dentaires en NiTi. Elle repose sur l’utilisation du modèle de fatigue développé en post-traitement d’un calcul éléments finis sur instrument. Enfin, dans le troisième bloc, les prévisions de cette chaine numérique sont validées par comparaison avec des résultats expérimentaux de fatigue sur différents instruments endodontiques pour des cas de chargement en flexion rotative. / No

Lors de la réparation d'un défaut, le processus consiste à éliminer la matière dans la zone englobant le défaut, puis à recharger cet affouillement par un dépôt de cordons de soudure, afin de remettre en conformité la pièce en vérifiant les critères de conception. Pourtant la zone rechargée constitue en elle-même un site sensible où le niveau des contraintes résiduelles peut être préjudiciable de par son importance, notamment localement, s'il porte des contraintes de traction. Les risques de récidive d'endommagement pourraient être réduits par certains procédés de parachèvement. Ces procédés permettent de générer une zone de compression en peau externe et en sous couche de la pièce traitée. Par conséquent, la durée de vie d'une pièce ainsi parachevée pourrait être augmentée. Parmi les procédés existants, nous nous intéresserons dans cette étude à la mise en compression par billage ultrasonore. L'objectif de cette contribution est de prédire le niveau des contraintes résiduelles induites par le billage sur une pièce rechargée par soudage multi-passes. Pour mener à bien cet objectif, une étude expérimentale du billage a été réalisée sur des éprouvettes minces et épaisses afin d'identifier les paramètres influents et de disposer d'une base de résultats expérimentaux - comme par exemple la répartition quantitative des contraintes résiduelles dans la matière traitée - à confronter à la simulation. L'originalité de ce travail est de mettre en œuvre, en termes d'évaluation, une modélisation tridimensionnelle représentant correctement les phénomènes locaux et basée sur un modèle semi-analytique. Ce modèle numérique présente l'avantage de temps de calcul considérablement réduits par rapport aux méthodes éléments finis plus conventionnelles, sans pour autant sacrifier à la qualité des résultats. Pour cette application, ce modèle semi-analytique a été validé par des benchmarks aux éléments finis dans le cas de mono et multi impacts. Puis cette approche prédictive a été validée par l'expérience. Enfin, une simulation numérique du soudage a été réalisée afin de disposer d'un champ de contraintes résiduelles de soudage. Les résultats des calculs, obtenus par chaînage de simulations numériques des procédés de soudage puis de billage, ont ensuite été confrontés aux grandeurs mesurées sur des éprouvettes initialement précontraintes par flexions alternées puis billées selon des paramètres du processus identifiés antérieurement. L'état précontraint (qu'il provienne de la thermique du soudage ou de l'écrouissage de flexion alternée) a été introduit en données d'entrée, en tant que pré-chargement, dans le modèle numérique simulant les impacts.

Au cours de l'oxydation d'un alliage A-B dans lequel A est le métal de base et B le métal d'addition, les produits formés peuvent être variés, plusieurs cas peuvent être observés : 1- Un seul métal s'oxyde. - le métal qui s'oxyde est le métal de base A. La pellicule est constituée par l'oxyde AO dans lequel sont formés des globules du métal B ou bien le métal B non oxydé peut former une zone enrichie dans l'alliage de base ; - le métal qui s'oxyde est le métal d'addition B. L'élément B peut alors subir une oxydation interne sous forme d'oxyde BO dans la matrice du métal A pur. L'élément B peut également subir une oxydation externe avec formation d'une pellicule externe de BO. 2 - Les deux métaux A et B forment un oxyde AO et BO. Il faut alors distinguer deux cas : Les deux oxydes AO et BO sont insolubles l'un dans l'autre, la pellicule d'oxydation est alors biphasée - les deux métaux forment avec l'oxygène un composé de même structure que chacun des oxydes AO et BO. Si les métaux A et B forment avec l'oxygène un oxyde double dont la structure est différente des oxydes AO et BO, la pellicule d'oxyde est biphasée, le composé ABO₂ étant dispersé dans la matrice formée par l'oxyde du constituant de base. Le phénomène d'oxydation interne peut également apparaître. On conçoit ainsi que la cinétique d'oxydation de l'alliage A-B soit différente de celle du métal A pur. Ce travail se propose de mettre en évidence ces différences et d'en donner une interprétation mathématique dans le cas particulier de l'alliage monophasé nickel-molybdène dans la partie riche en nickel de l'alliage.

Cette étude nous a permis d'apporter une contribution à la recherche sur l'oxydation des alliages. On a pu voir, au cours de ces quelques chapitres, combien les moyens d'investigation mis è la disposition du chercheur sont variés, et aussi combien leur limite est vite atteinte. Nous avons, dans un premier temps, étudié la solution solide de substitution du titane dans le nickel, pour avoir plus de précisions sur sa structure, afin de pouvoir éliminer des facteurs très perturbants comme l'écrouissage. Les problèmes posés, à ce stade, sont d'ordre technologique et nous avons pu, à notre avis, les résoudre de manière satisfaisante. En ce qui concerne l'oxydation elle-même, nous avons pu nous rendre compte à la fois de difficultés soulevées par les problèmes expérimentaux comme la reproductibilité des thermogrammes et de difficultés liées à l'interprétation de nos résultats. Nous avons essayé, à partir de données théoriques générales, de dégager des prévisions relatives à la thermodynamique du système O-Ni-Ti, illustrant les conditions de formation des divers oxydes simples et doubles, NiO, TiO₂ et NiTiO₃. La cinétique régie par la diffusion de lacunes de nickel vers l'interface gaz-oxyde, apporte de nombreux renseignements, notamment par l'influence de la pression en P^1/2 qui laisse penser que de nombreuses lacunes ne sont pas ionisées. Il est alors possible d'avancer une série de mécanismes prédominants étant bien entendu que ceci ne résulte que du phénomène global apparent, et en tenant compte de la possibilité de coexistence de diverses autres réactions. De par la diversité des problèmes posés, il semble nécessaire, à ce stade, d'utiliser de front, de nombreuses méthodes d'étude comme la thermogravimétrie, la diffractométrie, la conductimétrie, les techniques micrographiques et la microsonde. D'une manière plus générale, cette étude nous montre que, contrairement aux prévisions du modèle de HAUFFE, qui laisse supposer une augmentation très forte de l'oxydation du nickel lorsqu'il est allié avec du titane, nous n'avons pas, en fait, de variation sensible pour cette cinétique. Il semble, à l'heure actuelle, très difficile de trouver un modèle capable de rendre compte, d'une manière satisfaisante, du comportement des alliages lors de l'oxydation, tant le nombre de paramètres à maîtriser est important. La physique des défauts, de par l'importance qu'elle a acquise ces dernières années, permettra certainement, dans un proche avenir, de justifier de nombreux mécanismes proposés pour de nouveaux alliages que la technologie ne manquera pas de mettre au point grâce à l'inépuisable diversité qu'ils offrent.

L'Inconel 617 est un alliage à base de nickel, de chrome et de molybdène et il se positionne comme l'un des matériaux candidats à la réalisation de l'échangeur thermique des Réacteurs à Haute Température (RHT) refroidis par hélium (réacteurs de <i>Génération IV</i>). Le retour d'expériences montre que l'hélium contient des impuretés gazeuses H₂O, H₂, CO, CH₄ en quantité réduite (de l'ordre du micro bar), responsables de réactions d'oxydation, de carburation ou de décarburation entre 850°C et 1 000°C. La formation d'une couche d'oxyde protectrice est envisagée pour éviter la dégradation des propriétés mécanique de l'échangeur de chaleur. Dans le cadre de l'analyse des processus d'oxydation de l'Inconel 617, deux axes de recherche sont abordés. L'un est centré sur l'influence de la vapeur d'eau et du monoxyde de carbone et l'autre sur le rôle des éléments mineurs, en occurrence, l'aluminium et le titane. Cette étude spécifique sur le rôle de l'aluminium et du titane fait appel à l'utilisation d'alliages modèles à base de NiCrMoC. Après avoir étudié l'ensemble de ces paramètres sur des essais de 20 heures à 850°C, les résultats sont les suivants. La vapeur d'eau est responsable à plus de 90 % de l'oxydation de l'Inconel 617 et elle inhibe dans certains cas la réaction entre le monoxyde de carbone et l'alliage. La couche d'oxyde formée est à base de chromine (Cr₂O₃) et elle est enrichie en titane et en manganèse. Nous montrons que le dopage de la chromine par le titane favorise la formation d'une couche d'oxyde protectrice. Quant à la présence d'alumine à l'interface métal/oxyde, nous montrons qu'elle ralentit la vitesse de croissance de la couche d'oxyde. Selon la teneur en vapeur d'eau, la croissance de la couche d'oxyde de l'Inconel 617 est décrite soit par un régime cinétique mixte de diffusion et d'interface (pour PH₂O ≤ 10 μbar), soit par un régime de diffusion pur (pour PH₂O > 10 μbar). Dans les deux cas, la vitesse de consommation du monoxyde de carbone est modélisée par un processus d'adsorption à la surface de la couche d'oxyde. Cependant, l'intégrité de la couche d'oxyde est compromise lors de l'élévation de la température. Au-delà d'une température critique, notée TA, nous observons la destruction de la couche d'oxyde. Nous montrons que la réaction de destruction qui se déroule à l'interface métal/oxyde met en jeu le carbone de l'alliage et la chromine pour produire du chrome dont une partie s'évapore et un dégagement de monoxyde de carbone. Sur la base de nos résultats, nous proposons un modèle cinétique.

De nombreuses études ont été réalisées par la communauté scientifique internationale sur la Corrosion Sous Contrainte (CSC) de l'Alliage 600 en milieu primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Néanmoins, les mécanismes à l'origine de cette fissuration sont encore mal compris. Un certain nombre de modèles ont été développés et proposés, cependant peu d'entre eux arrivent à intégrer l'influence de tous les paramètres. Le mécanisme d'oxydation interne et la famille de modèles basés sur l'action de l'hydrogène ont paru les plus prometteurs. L'objectif de l'étude était d'apporter des connaissances nouvelles sur le/les mécanisme/s de CSC. Il a été choisi de cibler les expérimentations de façon à sélectionner les modèles les plus pertinents. Pour cela des essais dans un milieu simulant le milieu primaire avec des marqueurs isotopiques (oxygène 18 et deutérium) ont été menés sur deux types d'éprouvettes. Des éprouvettes à déformation imposée de type « U-bend » ont été utilisées dans un premier temps et des éprouvettes sous forme de plaquette ayant des microstructures contrôlées ont été utilisées dans un second temps. Les caractérisations des fissures et des pénétrations d'oxyde intergranulaire par MEB, MET, SIMS, Nano-SIMS et des dosages d'hydrogène, ont permis une nouvelle analyse de la CSC de l'Alliage 600 en milieu REP, concernant plus particulièrement les points suivants : la stabilité thermodynamique des phases, la répartition et la morphologie des oxydes observés dans les fissures, le rôle de l'hydrogène, la nature des carbures de chrome et le caractère continu/discontinu du mécanisme de fissuration.<br /><br />A partir des résultats obtenus à l'aide du traçage isotopique de l'hydrogène et de l'oxygène couplé à l'utilisation de différentes techniques d'analyse complémentaires, il a été proposé un nouveau modèle de mécanisme de fissuration basé sur la formation d'oxyde de chrome aux joints de grains de l'alliage. Ce modèle permet de prendre en compte le rôle des paramètres liés au matériau (taux de défauts, déformation, type de joint de grain) et au milieu (teneur en hydrogène, température) qui influeraient sur les cinétiques de diffusion de l'oxygène dans l'oxyde aux joints de grains de l'alliage et du chrome aux joints de grains de l'alliage.

De nombreuses études ont été réalisées par la communauté scientifique internationale sur la Corrosion Sous Contrainte (CSC) de l'Alliage 600 en milieu primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Néanmoins, les mécanismes à l'origine de cette fissuration sont encore mal compris. Un certain nombre de modèles ont été développés et proposés, cependant peu d'entre eux arrivent à intégrer l'influence de tous les paramètres. Le mécanisme d'oxydation interne et la famille de modèles basés sur l'action de l'hydrogène ont paru les plus prometteurs. L'objectif de l'étude était d'apporter des connaissances nouvelles sur le/les mécanisme/s de CSC. Il a été choisi de cibler les expérimentations de façon à sélectionner les modèles les plus pertinents. Pour cela des essais dans un milieu simulant le milieu primaire avec des marqueurs isotopiques (oxygène 18 et deutérium) ont été menés sur deux types d'éprouvettes. Des éprouvettes à déformation imposée de type « U-bend » ont été utilisées dans un premier temps et des éprouvettes sous forme de plaquette ayant des microstructures contrôlées ont été utilisées dans un second temps. Les caractérisations des fissures et des pénétrations d'oxyde intergranulaire par MEB, MET, SIMS, Nano-SIMS et des dosages d'hydrogène, ont permis une nouvelle analyse de la CSC de l'Alliage 600 en milieu REP, concernant plus particulièrement les points suivants : la stabilité thermodynamique des phases, la répartition et la morphologie des oxydes observés dans les fissures, le rôle de l'hydrogène, la nature des carbures de chrome et le caractère continu/discontinu du mécanisme de fissuration. A partir des résultats obtenus à l'aide du traçage isotopique de l'hydrogène et de l'oxygène couplé à l'utilisation de différentes techniques d'analyse complémentaires, il a été proposé un nouveau modèle de mécanisme de fissuration basé sur la formation d'oxyde de chrome aux joints de grains de l'alliage. Ce modèle permet de prendre en compte le rôle des paramètres liés au matériau (taux de défauts, déformation, type de joint de grain) et au milieu (teneur en hydrogène, température) qui influeraient sur les cinétiques de diffusion de l'oxygène dans l'oxyde aux joints de grains de l'alliage et du chrome aux joints de grains de l'alliage.

Lors de la réparation d’un défaut, le processus consiste à éliminer la matière dans la zone englobant le défaut, puis à recharger cet affouillement par un dépôt de cordons de soudure, afin de remettre en conformité la pièce en vérifiant les critères de conception. Pourtant la zone rechargée constitue en elle-même un site sensible où le niveau des contraintes résiduelles peut être préjudiciable de par son importance, notamment localement, s’il porte des contraintes de traction. Les risques de récidive d’endommagement pourraient être réduits par certains procédés de parachèvement. Ces procédés permettent de générer une zone de compression en peau externe et en sous couche de la pièce traitée. Par conséquent, la durée de vie d’une pièce ainsi parachevée pourrait être augmentée. Parmi les procédés existants, nous nous intéresserons dans cette étude à la mise en compression par billage ultrasonore. L’objectif de cette contribution est de prédire le niveau des contraintes résiduelles induites par le billage sur une pièce rechargée par soudage multi-passes. Pour mener à bien cet objectif, une étude expérimentale du billage a été réalisée sur des éprouvettes minces et épaisses afin d’identifier les paramètres influents et de disposer d’une base de résultats expérimentaux – comme par exemple la répartition quantitative des contraintes résiduelles dans la matière traitée – à confronter à la simulation. L’originalité de ce travail est de mettre en œuvre, en termes d’évaluation, une modélisation tridimensionnelle représentant correctement les phénomènes locaux et basée sur un modèle semi-analytique. Ce modèle numérique présente l’avantage de temps de calcul considérablement réduits par rapport aux méthodes éléments finis plus conventionnelles, sans pour autant sacrifier à la qualité des résultats. Pour cette application, ce modèle semi-analytique a été validé par des benchmarks aux éléments finis dans le cas de mono et multi impacts. Puis cette approche prédictive a été validée par l’expérience. Enfin, une simulation numérique du soudage a été réalisée afin de disposer d’un champ de contraintes résiduelles de soudage. Les résultats des calculs, obtenus par chaînage de simulations numériques des procédés de soudage puis de billage, ont ensuite été confrontés aux grandeurs mesurées sur des éprouvettes initialement précontraintes par flexions alternées puis billées selon des paramètres du processus identifiés antérieurement. L’état précontraint (qu’il provienne de la thermique du soudage ou de l’écrouissage de flexion alternée) a été introduit en données d’entrée, en tant que pré-chargement, dans le modèle numérique simulant les impacts. / During a repair welding process, the first step is to remove the material in the defected area, then refill this chamfer by welding rods. Since, the nickel based alloy, such as IN600, is sensitive to the phenomenon of stress-corrosion cracking, it must be ensured that the level of residual stress after welding is lower than the triggering threshold of stress-corrosion cracking. At this stage, the ultrasonic shot peening (USP) process can be used as the final finishing step. The aim is to introduce compressive residual stresses on the surface of the welded area in order to prevent occurrence of cracking. The objective of this study is to predict the level of residual stresses, induced by the ultrasonic shot peening, on structure made of IN600 repaired by multipass welding. To achieve this objective, an experimental study of the ultrasonic shot peening was carried out. Experiments similar to the “Almen” test were performed on thin and thick specimens. Influential parameters were identified. Experimental results, such as the level of residual stresses, were obtained. The originality of this work is that a three-dimensional modeling of multiple impacts, based on a Semi-Analytical Method (SAM), was implemented. This method can reduce significantly the computing time compared to finite element method, without sacrificing the quality of results. This was first validated by benchmarks for both single and multiple impacts, then proved by experiments. Moreover, a numerical simulation of welding was performed. The field of welding residual stresses should be used as the input data for the impact model. In fact, in this study，the residual state，was generated by alternatif bending test. These specimens were then treated by USP process with the parameters identified previously. As the final step, numerical results in terms of distortions and residual stresses were compared with the experimental data in order to validate the chaining of welding and peening simulation.

Dans l’industrie nucléaire, différents composants des réacteurs à eau pressurisée sont soudés par le procédé TIG (Tungsten Inert Gas). Pour obtenir une résistance à la corrosion et une tenue en service suffisante, ces pièces sont réalisées en alliage base nickel NY690. La compréhension des phénomènes physiques impliqués durant le soudage est nécessaire afin de connaître l’évolution de la microstructure et leur influence sur le comportement mécanique. Pour améliorer la qualité des produits soudés, il est crucial de déterminer les contraintes résiduelles après soudage ce qui implique de connaître le comportement mécanique de l’alliage NY690. En effet, le soudage de ces pièces massives dont l’épaisseur est comprise entre 50 et 250 mm nécessite un grand nombre de passes et donc grand nombre de cycles thermo-mécaniques. Pour reproduire ces chargements complexes se produisant dans la zone affectée thermiquement, des essais mécaniques ont été réalisés en utilisant la machine Gleeble 3500 et une machine de traction/torsion MTS-809. Des essais de traction et des essais cycliques ont été réalisés pour différents états microstructuraux à température ambiante et à 750°C. Plus précisément, l’influence de la taille de grain et de la présence des carbures de chrome sur le comportement mécanique a été étudiée dans le but de déterminer les paramètres à prendre en compte pour modéliser le comportement mécanique. Le comportement mécanique en chargement monotone a ensuite été modélisé en fonction de la température et de la vitesse de déformation en utilisant le formalisme de Kocks-Mecking-Estrin. Ce modèle ensuite été implémenté sous Sysweld pour simuler des expériences de soudage. / Mechanical behavior of nickel alloy 690 (NY690) is characterized from 25°C to 1100°C and for a strain rate ranging from 10-4 to 5×10-3s-1. The effects of chromium carbides and grain size (50-150 µm) on the tensile properties of NY690, were studied at 25°C and 750°C. Chromium carbides have negligible influence on the yield stress and on the strain hardening whereas the grain size slightly decreases the yield stress and the hardening rate at room temperature. The grain size has little influence on the strain-hardening but increases the steady-state stress. The dislocation density is the major microstructural parameter governing the mechanical behavior of the alloy for the studied experimental conditions. The Kocks-Mecking-Estrin formalism is adapted to a wide range of temperature and strain rate to predict the mechanical behavior.