Les assemblages soudés sont de plus en plus envisagés pour remplacer les assemblages par rivetage dans l’objectif d’alléger les structures aéronautiques. La technique de soudage par Friction Stir Welding (FSW) est la solution choisie pour souder sans apport extérieur de matière et en phase solide. Des assemblages soudés autogènes et hétérogènes d’alliages d’aluminium des familles 2XXX (Al-Cu-Mg et Al-Cu-Li) et 7XXX (Al-Zn-Mg) ont été étudiés. La sensibilité à la corrosion de ces soudures et leur tenue mécanique sous l’effet de l’environnement ont été évaluées avec une approche multi-échelle. Pour cela, des essais normalisés de corrosion ont d’abord été réalisés, suivis d’une analyse plus fine par des techniques électrochimiques locales qui a permis de quantifier la réactivité des différentes zones de la soudure. D’autre part, une analyse microstructurale a permis d’expliquer les comportements en corrosion de chacune de ces zones. Nous avons ainsi montré que, dans le cas des soudures autogènes, la microstructure était responsable des phénomènes de corrosion localisée tandis que, dans le cas des soudures hétérogènes, l’attaque était plus homogène sous l’effet de couplages galvaniques macroscopiques. / In order to lighten aircraft structures, welded joints are more and more considered to replace riveted joints. The Friction Stir welding process is the appropriate solution to join without addition of outer material and in semi-solid phase. Similar and dissimilar welded joints of 2XXX (Al-Cu-Mg and Al-Cu-Li) and 7XXX (Al-Zn-Cu) aluminium alloys were studied. Corrosion sensitivity of these welds and their stress corrosion cracking were evaluated with a multiscale approach. For this, first, normalized corrosion tests were performed; then, a finer analysis was carried out using local electrochemical techniques which allows to quantitate the reactivity of the different weld zones. In other hand, a microstructural analysis allowed to explain corrosion behaviours of each weld zone. We showed localized corrosion phenomena were restricted in the similar FSW joints because of microstructural heterogeneities whereas attack in dissimilar welds was more homogeneous under the effect of macroscopic galvanic coupling.

L’allègement des structures est actuellement un enjeu industriel majeur. L’utilisation de certains alliages d’aluminium couplés à de nouveaux procédés d’assemblages est une bonne réponse à cette problématique. Le procédé de soudage FSW permet notamment la réalisation d’assemblages multi-matériaux en s’affranchissant des problèmes de fusion. Cette étude, réalisée au sein de l’entreprise TRA-C industrie, s’est intéressée plus particulièrement au cas du soudage FSW hétérogène d’alliages d’aluminium des séries 2xxx (Al-Cu-Mg-Ag) et 7xxx (Al-Zn-Mg), dans une large gamme de paramètres industriels. Les caractérisations des assemblages ont pu mettre en avant de fortes hétérogénéités microstructurales et mécaniques au travers des cordons. Ainsi la présence d’une zone faible, adoucie dans la ZAT du côté de l’alliage 7xxx, amène à favoriser la rupture en traction. Une évolution métallurgique importante déclenchée par le cycle thermique généré explique principalement ce phénomène. D’autre part, cette étude expérimentale a été couplée à des travaux de simulation numérique du procédé en configuration homogène. Le modèle éléments finis intègre, pour la première fois, la géométrie réelle et complexe (filetage, facettes, …) de l’outil de soudage utilisé expérimentalement et est couplé à l’utilisation d’une technique de maillage mobile. Cette technique numérique a permis de s’affranchir intégralement des distorsions de mailles conséquentes souvent rencontrées, ainsi que de décrire fidèlement les effets thermomécaniques engendrés par l’outil de soudage. Une étude de sensibilité aux paramètres de soudage ainsi qu’aux matériaux soudés a démontré une excellente corrélation entre les cinétiques thermiques expérimentales et numériques tout en démontrant l’aspect prédictif du modèle. / The lightweight structures optimisation is one of the main topics in transportation industry. It can be achieved by optimisation of materials as well as induced assembly process. As a solid-state process, Friction Stir Welding (FSW) allows to produce dissimilar materials joining while avoiding fusion defects. This work focused on the dissimilar welding of aluminium alloys from 2xxx (Al-Cu-Mg-Ag) and 7xxx (Al-Zn-Mg) series in an industrial context. Joints characterizations were conducted at multiple scales to understand parameters impact on material flow, joint morphology, and performances. They have shown large heterogeneities in the microstructure as well as the global and local mechanical behaviour. Whatever the welding parameters used, good mechanical performance has been reached. A specific softened zone has been detected in the 7xxx alloy’s HAZ which caused fracture during transverse tensile test. Significant metallurgical evolution induced by thermal cycles mainly explains these phenomena.On the other hand, simulation works were also conducted to simulate the welding process in similar material configuration. The finite elements model integrates, for the first time, the real and complex tool design (thread, flats…). Complex geometry can be used by coupling with a specific moving mesh technique. This numerical development completely overcomes the consequent mesh distortion often encountered in FSW simulation. The current model presents good sensitivity and robustness for several welding conditions and materials. It also demonstrates an excellent correlation between experimental and numerical thermal fields while revealing the predictive aspect of the model.

La prédiction des durées de vie des pièces de structures aéronautiques a toujours été une problématique à la fois complexe et capitale dans ce domaine de l’industrie. Néanmoins, la majorité des tests existant à l’heure actuelle cherche à évaluer la capacité des matériaux à résister aux sollicitations mécaniques notamment en fatigue. Les problématiques liées à l’endommagement causé par l’environnement comme la corrosion sont encore mal comprises. En effet, bien que certains tests permettent de détecter et de caractériser cet endommagement, aucun outil fiable de prédiction des vitesses de propagation des défauts de corrosion intergranulaire n’existe. Ainsi, actuellement, un défaut de corrosion détecté induit systématiquement un changement de la pièce. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans cette problématique ; ils ont pour but de comprendre les phénomènes de corrosion intergranulaire sur l’alliage d’aluminium 2024, le plus utilisé dans le secteur aéronautique, et d’étudier les cinétiques de propagation des défauts de corrosion. L’étude s’appuie sur une approche multi-échelle des processus de corrosion, des états microstructuraux et de l’influence de l’hydrogène. Ce projet s’inscrit également dans une dynamique de collaboration avec Airbus Group et l’Université de Bourgogne dans le cadre du projet ANR M-SCOT (Multi-Scale Corrosion Testing ANR-14-CE07-0027-01). / Nowadays, cracks kinetics is a key point in aircraft risk and reliability analysis. In particular, the propagation of corrosion defects is of special interest and could promote an early mechanical crack initiation. However, today most of the tests are calibrated to control mechanical damage and do not take into account the propagation of the corrosion defects. Indeed, when a corrosion defect is observed, the airplane part is automatically changed which leads to high manufacturing costs. The aim of this work is to understand the intergranular corrosion mechanisms and to study the propagation kinetics of the corrosion defects in an aeronautical reference alloy, i.e. the 2024-T351 aluminium alloy. A multiscale approach of the corrosion processes, the microstructural states as well as hydrogen influence was performed. This work is supported by ANR-14-CE07-0027-01 – M-SCOT: Multi Scale COrrosion Testing.

Les instabilités plastiques désignent une famille de comportements non-linéaires que l’on rencontre dans plusieurs matériaux solides. Elles correspondent à une évolution hétérogène de la déformation sous un chargement homogène, et se manifestent par un écrouissage irrégulier accompagné de bandes de localisation d’épaisseur millimétrique dont la cinétique est sensible, entre autres, à la température et à la vitesse de chargement. Ce phénomène freine considérablement l’usage des tôles d’aluminium-magnésium dans l’industrie. En effet, il a des conséquences esthétiques et mécaniques néfastes dont il est difficile de prédire l'évolution à l'étape de conception. Des modèles de comportement dédiés peuvent reproduire les bandes de localisation mais peinent à estimer précisément leur cinématique. De plus, ils sont sujets à des complications comme la sensibilité à la discrétisation, un coût de calcul considérable ou encore l’identification expérimentale délicate de leurs paramètres. L’objectif de ces travaux est donc de proposer un cadre dans lequel la cinématique des bandes de localisation est prédite de façon fidèle. Dans un premier temps, l’alliage d’étude est caractérisé par des essais de traction où la cinétique de bandes individuelles est traquée à l'aide de la corrélation d'images numériques. Les quantités d'intérêt sont identifiées à l'échelle non-locale des bandes de déformation : leur géométrie, leur distribution spatio-temporelle, la déformation qu'elles portent et l'énergie qu'elles échangent. S'appuyant sur ces résultats expérimentaux, un modèle de comportement est formulé à l'échelle des bandes de localisation. Il encapsule toutes les conséquences macroscopiques des instabilités plastiques et s’émancipe donc des complications évoquées plus tôt. Finalement, une stratégie numérique est proposée pour la simulation unidimensionnelle des essais, avec pour objectif de démontrer la faisabilité de l'approche. Ce travail constitue une première contribution à la simulation des bandes de localisation au travers d'une modélisation directe de leur cinétique. Les perspectives suggérées portent en particulier sur trois aspects. D'abord, la caractérisation de la cinétique des bandes de déformation à l'échelle inférieure à la nucléation. Aussi, le déploiement en 2D et l'amélioration du modèle proposé pour le traitement robuste de cas industriels. Enfin, l'utilisation du cadre développé pour la prise en charge d'autres physiques non-locales. / Plastic instabilities refer to a wide family of material nonlinearities met in several solid materials. They correspond to a heterogeneous strain response under homogeneous loading conditions, and manifest as an erratic workhardening accompanied by strain localization bands that kinetics are sensitive to temperature and loading rate, among other material properties. This phenomenon hinders the industrial use of aluminium-magnesium alloys. It involves harmful mechanical and aesthetic consequences that can hardly be predicted at the design step. Constitutive models can recreate localization bands but they fail to accurately predict their kinematics. Moreover, they are subjected to several issues such as mesh sensitivity, a high computational cost or a complex parameters identification. The purpose of this work is to build a framework in which bands kinematics can be reliably predicted. First, the studied alloy is characterized by means of tensile tests in which the kinetics of individual bands are tracked using digital image correlation. Quantities of interest are then identified at the non-local scale of bands: their morphology, spatiotemporal distribution, the strain they carry and the energy they exchange. Based on these experimental results, a constitutive model is derived at the scale of localization bands. It embeds all the aforementioned macroscopic consequences of plastic instabilities. A numerical strategy is then proposed to tackle unidimensional simulations, with the purpose of justifying the feasibility of the approach. This work constitutes a first contribution to the simulation of localization bands through a direct modeling of their kinetics. The considered outlooks focus on three main aspects. First, the experimental characterization of instabilities beneath the bands scale. Also, the twodimensional deployment and the improvement of the model to fit concrete and industrial applications. Lastly, the use of the proposed framework for a greater variety of non-local behaviors.

Dans le domaine des matériaux métalliques, les techniques d’assemblage par soudageconduisent à des réductions de masse et de coûts importantes susceptibles d’intéresserles industries aéronautiques. Néanmoins, les procédés de soudage classiquespar fusion ne s’appliquent pas aux dernières générations d’alliages d’aluminium aéronautiques.Dans ce contexte, le procédé de soudage Friction Stir Welding présentedes atouts considérables, de nature à rendre compétitives les structures métalliquesface à la montée en puissance des matériaux composites.L’objectif de cette thèse est double. Il s’agit d’une part d’améliorer notre compréhensiondu procédé de soudage Friction Stir Welding Bobbin Tool puis dans undeuxième temps de proposer une méthodologie visant à prédire les paramètres desoudage optimaux.Afin de mener à bien ces objectifs, des essais de soudage ont été menés pour troisalliages d’aluminium aéronautique, incluant deux alliages d’aluminium-lihtium, etdeux épaisseurs, représentatives d’une jonction de peau de fuselage. Les résultatsd’essais ont par la suite été exploités et ont permis de mettre en évidence des corrélationsentre paramètres de soudage, température, puissance et malaxage du noyausoudé.Dans un troisième temps, afin de supporter la démarche expérimentale, des outilsde simulation ont été utilisés. Un modèle thermo-fluide local a été développé afinde simuler les phénomènes de malaxage dans le noyau soudé. A l’échelle globale, unmodèle thermique a permis de reproduire fidèlement les phénomènes de diffusion dela chaleur dans la structure. Enfin, le couplage des deux modèles a montré qu’il étaitpossible de simuler puis de prédire un domaine de soudabilité. / In the field of metallic materials, welding technologies can provide significantmass reductions and cost savings to aircraft industries. Nevertheless, classical fusionwelding processes can not be applied to last generations of aeronautical aluminiumalloys. In this context, Friction Stir Welding offers many advantages and can helpmetallic parts to face the build up of composite materials.This thesis has mainly two objectives. We aim first at improving our understandingof Friction Stir Welding with Bobbin Tool and then at proposing a kind ofmethodology able to predict optimal welding parameters.Welding trials were carried out using three aeronautical aluminium alloys includingtwo aluminium lithium and two thicknesses representative of a fuselagejunction. Results were analyzed and some correlations were found between weldingparameters, temperature and stirring of the weld nugget.This work was also supported by several modeling tools. A local thermo-fluidapproach has been used to simulate stirring of the material in the weld nugget. Aglobal thermal model has been used to simulate heat diffusion in the structure. Then,a coupled approach of these previous modeling tools shows that it was possible tonumerically predict a processing window.

La corrosion localisée des alliages d'aluminium a pu être reliée qualitativement au rôle de la microstructure, des phases intermétalliques (IM) en particulier, qui provoquent la sensibilisation à la corrosion localisée des alliages d’aluminium contenant par exemple du cuivre. Mais un effort de modélisation est nécessaire si on veut aller vers de nouvelles méthodes d’essais.L’objectif de ce travail est d'étudier et de modéliser, sur des systèmes métallurgiques très simplifiés, les effets de couplage entre réactions électrochimiques et chimiques qui ne sont pas pris en compte dans l'analyse des essais conventionnels.L’endommagement lors de l’amorçage de la corrosion microstructurale a pu être simulé numériquement par résolution, par la méthode des éléments finis, de l’équation de Nernst-Planck décrivant les phénomènes de transport et les réactions des espèces chimiques en solution.Le comportement en milieu non chloruré de trois combinaisons où le couple IM (cathode)/matrice Al (anode) peut être assimilé à un couple Cuivre/Aluminium a été étudié, ceci de façon à rendre compte de la dissolution sélective qui fait que les phases S ou θ, présentes dans les alliages au cuivre, subissent un enrichissement en cuivre en surface. Pour valider le modèle « AlOH3 » on s’est donc appuyé sur la mesure de la vitesse de corrosion de l’anode pour trois combinaisons testées appelées systèmes modèles.En terme de mécanismes, la confrontation de l’ensemble de ces expériences aux résultats de la simulation numérique démontre que l’amorçage de la dissolution de l’anode nécessite un changement de pH local, et donc que la dépassivation locale de la surface d’aluminium par un effet chimique est l’élément déclenchant du couplage électrique. Pour aller vers une application industrielle et simuler successivement, l’amorçage et la propagation de la corrosion intergranulaire, il reste pour l’amorçage à intégrer les effets d’interaction entre phases et pour la propagation à construire à partir de ce modèle numérique, un modèle valable en milieu confiné et désaéré qui devra satisfaire aux règles physiques imposées par la dimension du système que constitue le joint de grain / In literature, localized corrosion of aluminum alloys has been qualitatively related to the role of microstructure, intermetallic phases (IM) in particular, which induces sensitization to localized corrosion of aluminum alloys containing copper, for example. But modeling effort is needed to go further in the development of new testing methods.The objective of this work is to study and model on very simplified metallurgical systems, the effects of coupling between chemical and electrochemical reactions that are not taken into account in the analysis of conventional tests.The damage induced by the microstructural corrosion initiation has been numerically simulated by resolution, by the finite element method, of the Nernst-Planck equation describing the mass transport phenomena and reactions of chemical species in solution.Behavior in non-chlorinated medium of three combinations where the couple IM (cathode) / Al matrix (anode) has been assumed to be close from a Copper / Aluminium couple has been studied, mimicking the selective dissolution of S or θ phases present in copper alloys leading to a surface copper enrichment. Validation of the model "AlOH3" defined in this study, was based on the measurement of the corrosion rate of the anode for the three model systems which were tested.In terms of mechanisms, the comparison of the experimental results of the numerical simulation clearly highlights that the initiation of the dissolution of the anode requires a change in the local pH, and therefore the local depassivation of the surface aluminum by a chemical effect is the triggering element of the electrical coupling.To transfer this numerical approach to an industrial application and simulate successively, the initiation and the propagation of intergranular corrosion, it remains, for initiation to introduce the effects of interaction between phases and for propagation to build, from this numerical model, a robust model in confined and deaerated environment which must comply with the rules imposed by the physical size of the system as defined by the grain boundary

L’influence de traitements thermiques de revenu sur la corrosion localisée ainsi que sur la résistance mécanique en traction de l’alliage d’aluminium 2024 a été étudiée. Cet alliage est utilisé en construction aéronautique, à l’état T351 (mise en solution, trempe, écrouissage et maturation) grâce aux ses propriétés mécaniques élevées ; à l’état T6 (mise en solution, trempe, revenu au pic de dureté) il présente un bon compromis résistance/ductilité. Par contre, la présence d’hétérogénéités microstructurales le rend sensible à la corrosion localisée. Le traitement T7 (mise en solution, trempe, revenu après pic de dureté) peut améliorer la tenue à la corrosion au détriment des propriétés mécaniques. Dans un premier temps, il s’est agit de déterminer les conditions d’obtention des états métallurgiques T6 et T7 à étudier, à partir des courbes de dureté Vickers en fonction du temps de traitement. Les états métallurgiques obtenus, la microstructure et les propriétés mécaniques à l’échelle macroscopique et locale, ont été analysés. Un point important de cette étude a consisté en la recherche d’une méthode optimale pour la détermination de la distribution des particules intermétalliques grossières, paramètre de premier ordre pour les couplages galvaniques mis en jeu lors de la dissolution des particules. Dans un second temps, le comportement en corrosion, à différentes échelles a été suivi. Des techniques électrochimiques tel que le tracé de courbes de polarisation potentiocinétique et le suivi de potentiel libre, ont permis d’évaluer l’influence du traitement de revenu sur comportement globale en corrosion. A l’échelle locale, la dissolution des particules intermétalliques grossières a été suivie par l’évolution du potentiel de surface en fonction des différents traitements thermiques. Cela a pu être déterminé par microscopie à force atomique, couplée à l’analyse chimique des phases obtenue par spectroscopie à sélection d’énergie. Le taux de corrosion ainsi que l’abattement des propriétés mécaniques à différentes échelles, ont clairement montré l’importance du traitement T7 par rapport au traitement T6. L’ensemble des résultats présente un intérêt industriel dans la mesure où la résistance à la corrosion associée aux propriétés mécaniques peuvent indiquer la probabilité de l’endommagement du matériau. / Nr

Les exigences des clients du secteur aéronautique imposent aux entreprises de prendre en compte pour le dimensionnement les effets de la température sur toute la durée de vie du produit. Cependant, aucune loi ne permet actuellement de prévoir l’impact du vieillissement thermique sur le comportement des matériaux. Ce travail a pour objectif de comprendre le mécanisme de vieillissement thermique des alliages d’aluminium et son impact sur les propriétés mécaniques, mais surtout d’acquérir un outil performant capable d’obtenir rapidement des données matériaux après vieillissement.Au cours de cette étude, de nombreuses analyses microstructurales et mécaniques ont été réalisées sur trois alliages d’aluminium à durcissement structural. Différentes combinaisons temps-température de vieillissement ont été testées afin de disposer d’une large base de données sur ces matériaux (caractéristiques mécaniques statiques Rm, Rp0,2 et dureté et tailles des précipités durcissants). Ces données ont ensuite été compilées dans un modèle de vieillissement basé sur les théories classiques de durcissement structural, de croissance et de coalescence des précipités.Le modèle de vieillissement créé répond au besoin initial et prédit de façon conservative le comportement mécanique des alliages ayant subi un vieillissement thermique isotherme. Des axes d’amélioration sont envisagés pour ce modèle évolutif, comme l’intégration de la prévision du comportement en fatigue ainsi que le traitement de cas anisothermes pour une représentation plus réelle des conditions de service des pièces aéronautiques. / In aeronautics, customers ask companies to consider the effects of temperature over the entire life of the product in structural requirements. Indeed, aircraft parts are demanded to last longer (up to 90 000 hours) and operate at higher temperatures (up to 250°C). No laws enable to predict the impact of thermal ageing on materials behavior. Current practices are to perform mechanical testing after ageing in ovens at various temperatures, but they are expensive and incompatible with the development schedules. This work aims to understand the thermal aging mechanism of aluminum alloys and its impact on mechanical properties, but especially to acquire a powerful tool able to quickly obtain material data after aging.During this study, many microstructural and mechanical analyses were conducted on three precipitation hardened aluminum alloys. Different combinations of aging time and temperature were tested to get a large database of these materials (static mechanical characteristics Rm, Rp0,2 and hardness and sizes of hardening precipitates). These data were then compiled into a computing aging model based on the classical theories of precipitation hardening, growth and coarsening of precipitates.The created aging model responds to the initial need and can conservatively predict the mechanical behavior of aluminum alloys under isothermal aging. Improvement areas are considered for this evolutionary model, such as the integration of fatigue behavior prediction and the inclusion of thermal cycles for a more realistic representation of service conditions of aircraft parts.

Le soudage FSW (Friction Stir Welding) est un procédé de soudage en phase solide pressenti pour des applications de transport en générale aérospatial et naval. Malgré le nombre considérable d’études qui ont été réalisées depuis son avènement en 1991, le contrôle du procédé n’est pas encore effectif.Ce travail a consisté en une partie expérimentale visant à la génération, par un outil trigone, de joints soudés dont la microstructure a été corrélée à l’écoulement de matière pendant le procédé. La connaissance de cet écoulement de matière a permis dans la deuxième partie d’enrichir le modèle thermofluide développé en périodique pour prédire la microstructure des joints de soudure FSW, notamment les "onion rings". Finalement, l’occurrence des "onion rings" a été corrélée à la vitesse de déformation maximale atteinte par les particules de la zone soudée, prédite par le modèle. Par ailleurs, un travail d’affinement du champ de vitesse en voisinage du pion est réalisé en modélisant l’outil trigone. Ce qui permet en plus de l’interaction (entrainement) outil/matière par frottement, d’intégrer une interaction par obstacle. Cette approche devrait permettre, en perspectives de ce travail, une meilleur description thermomécanique locale et par voie de conséquence microstructurale. / Friction Stir Welding is a solid state joining process developed for transport applications as aerospace and naval. Since its introduction, a large number of investigations have been carried out but the process is not fully controlled. This work including experimental section in which welds have been generated by trigonal tool. The microstructure of these welds has been correlated with the material flow during the process. By understanding the material flow, the transient thermofluid model developed in the second section has been significantly enriched. This modeled has been developed for predicting the microstructure of the weld, especially, the "onion rings". Finally, the occurrence of "onion rings" has been correlated with the maximal strain rate reached by any particle in the weld seam, simulated by the model. However, the velocity has been refined at the vicinity of the tool through the trigonal pin modelling. This was helpful to move the material not only by friction but also by obstacle at the interaction tool/material. The above approach should enable, in this work layout, a better local thermomechanical description and consequently microstructural.