Le but de ce travail était de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes complexes qui sous-tendent la formation et l’évolution des hydrures dans le zirconium α et ses alliages. Dans ce contexte, des approches multi-échelles, mêlant simulations atomiques et par champ de phase, ont été employées pour aborder les propriétés structurales et énergétiques des interfaces hétérophases α|hydrures. Un intérêt particulier a été porté à l'hydrure γ-ZrH, en raison de sa stabilité et ses relations avec les chemins de précipitation controversés, via l’étude des interfaces basales et prismatiques complétée par une étude soignée des plans d’habitat. Une méthodologie originale transposable à d’autres systèmes, fondée sur la théorie microélastique combinée à des calculs ab initio, a été proposée pour estimer les énergies relatives à ces interfaces. Les résultats montrent une forte anisotropie jusque-là négligée dans la littérature. Du fait du caractère semi-cohérent des interfaces prismatiques, une évaluation correcte de leur énergie s'est révélée difficile. Une approche alternative a donc été suggérée, fondée sur un formalisme de champ de phase à même de décrire la structure de cœur des dislocations inhérentes à des interfaces prismatiques hc|cfc. Elle s’est avérée utile pour estimer la stabilité interfaciale de divers systèmes et pour prédire la perte de cohérence d’un germe croissant. Il a été montré que l'hydrure ζ-Zr2H cohérent constituerait un bon précurseur de γ. Enfin, l'emploi de la théorie microélastique aux interfaces α|hydrures a clairement indiqué la préférence pour des plans d'habitat pyramidaux πI. Un effet notable de la teneur en hydrogène a aussi été observé. / The goal of this work was to contribute to a better understanding of the complex mechanisms underpinning the formation and evolution of hydrides in α zirconium and its alloys. In this context, multi-scale approaches combining atomic and phase-field simulations were employed to address the structural and energetic properties of heterophase α|hydrides interfaces. A peculiar attention was focused on the γ-ZrH hydride due to its controversed stability and to its supposed role one many sequences of precipitation. In particular, the study was concentrated on the basal and prismatic interfaces complemented by a meticulous study of the habit planes. An original methodology, transferable to other systems and based on the microelasticity theory combined with ab initio calculations, was proposed to estimate the energies related to these interfaces. The results show a strong anisotropy hitherto neglected in the literature. Due to the semi-coherent nature of prismatic interfaces, a correct evaluation of its energy was proven to be difficult. Thus, an alternative approach, grounded in a phase-field formalism and able to describe the core structure of inherent dislocations in prismatic interfaces, has been suggested. This approach turned out useful to estimate the interfacial stability of various systems as well as to predict the coherency loss of a growing seed. It has been showed that the coherent ζ-Zr2H hydride could constitute a good precursor of γ-hydride. Finally, the application of the microelasticity theory to α|hydrides interfaces has clearly showed a preference for πI pyramidal habit planes where a significant effect of hydrogen content in the hydride has also been observed.

Le comportement plastique des alliages métalliques est très souvent influencé par les interactions entre les précipités d'une seconde phase et les dislocations, dont la dynamique peut être étudiée par des méthodes de type champ de phase. En effet, ces méthodes présentent comme principal avantage leur caractère variationnel qui rend naturel le couplage avec la dynamique d'autres défauts (solutés, lacunes, précipités de seconde phase...). Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte en proposant de nouveaux modèles champ de phase permettant d'étudier le comportement des dislocations, leurs interactions avec des précipités de seconde phase ainsi que les mécanismes de montée par absorption/émission de lacunes. Nous proposons tout d'abord un modèle d'élasticité non-linéaire, tenant compte du glissement des dislocations ainsi que de leur nucléation et du glissement dévié. L'utilisation de ce modèle permet de confirmer les mécanismes de perte de cohérence des précipités par la nucléation de boucles prismatiques envisagés dans des études antérieures. Nous proposons ensuite un couplage de cette approche avec un modèle tenant compte de l'évolution microstructurale de précipités Al3Sc dans une matrice d'aluminium. Nous montrons notamment que les dislocations peuvent modifier significativement la morphologie de l'interface des précipités, ce qui peut affecter la réponse mécanique du matériau. Enfin, nous développons un modèle champ de phase pour la montée des dislocations tenant compte de la diffusion des lacunes. Nous nous attachons en particulier à étudier le caractère limitant du mécanisme d'absorption/émission de lacunes au niveau du coeur des dislocations.

La ferrite allotriomorphe est une des morphologies de la ferrite dont la répartition spatiale influe fortement sur les propriétés mécaniques dans les aciers dual-phase. En fonction des traitements qu'ils subissent, la ferrite peut s'y répartir suivant les bandes de ségrégation en manganèse, issues de l'étape de solidification. Pour établir le rôle que joue le processus de croissance de la ferrite allotriomorphe sur la mise en place de la structure en bandes, nous avons développé un modèle de champ de phases possédant deux spécificités originales, imposées par le problème. D'une part, ce modèle est capable de reproduire les différents régimes cinétiques observés dans les alliages ternaires Fe-C-X, pilotés par la présence concomittante du carbone diffusant rapidement,et d'un élément substitutionnel X diffusant lentement. Nous avons ainsi mis en évidence la transition d'un régime initial rapide de paraéquilibre vers une croissance lente en orthoéquilibre, en bon accord avec des résultats expérimentaux de la littérature. D'autre part, notre modèle incorpore de manière économe la présence des joints de grains austénitiques, dont le rôle dans l'élimination des structures en bande est souligné par nos calculs. Nous observons ainsi qu'il existe un seuil d'intensité deségrégation en manganèse en dessous duquel le mouillage de la ferrite le long des joints de grain de plus grande énergie peut contrecarrer la croissance dans les bandes ségrégées négativement / The growth of allotriomorphic ferrite plays a major role in the formation of martensite bands in Dual-Phase steels. We have thus developed a phase field model to study the ferritic growth in different ternary Fe-C-X alloys, incorporating two necessary features. First, we have paid a particular attention to recover the different growth regimes due to the huge difference between the diffusion rates of Cand X substitutional species. Our calculations have exhibited a transition from fast paraequilibrium to slow orthoequilibrium in good agreement with experimental measurements in the literature. Second, austenite grain boundaries have been included in the model because they can conterbalance the manganese segregation bands, as shown in our calculations. Indeed, our results show that the bands can be broken bythe wetting of ferrite along the austenite grain boundaries, provided that the segregation is below a threshold value, and provided that the grain boundary energies are sufficiently high

La partie centrale des lampes à basse consommation est constituée d'un tube en verre rempli de plasma de mercure et recouvert d'une couche de grains de luminophores. Ces grains de quelques microns absorbent la radiation UV et émettent de la lumière visible. Dans cette thèse, deux problèmes liés à ces couches sont étudiés. Dans une première partie, un modèle de champ de phase est développé pour décrire le changement de la morphologie des grains lors du recuit de synthèse en présence d'un fondant. A l'aide de ce modèle, nous avons mis en évidence le rôle des tensions de surface et des mécanismes de transport de matière dans le liquide. Dans une seconde partie, nous utilisons la méthode du tracé de rayons pour modéliser les propriétés optiques d'une couche de grains de luminophores. Cette dernière a deux buts qui peuvent sembler contradictoire : absorber le maximum de rayons UV et maximiser l'extraction de lumière visible. Nous avons mis en évidence l'existence d'un optimum d'efficacité d'extraction, ce qui suggère que les pertes de lumière visible dans la lampe peuvent être atténuées en utilisant des couches peu compactes.

La thèse porte sur la modélisation de la transformation de l'austénite en ferrite dans les aciers en mettant l'accent sur les conditions thermodynamiques et cinétiques aux interfaces alpha/gamma en cours de croissance de la ferrite. Dans une première partie, la thèse se concentre sur la description des équilibres thermodynamiques entre alpha et gamma à l'aide de la méthode CalPhad. Nous avons développé un nouvel algorithme hybride combinant la construction d'une enveloppe convexe avec la méthode classique de Newton-Raphson. Nous montrons ses possibilités pour des aciers ternaire Fe-C-Cr et quaternaire Fe-C-Cr-Mo dans des cas particulièrement difficiles. Dans un second chapitre, un modèle à interface épaisse a été développé. Il permet de prédire l'ensemble du spectre des conditions à l'interface alpha/gamma au cours de la croissance de la ferrite, de l'équilibre complet au paraéquilibre avec des cas intermédiaires des plus intéressants. Nous montrons que de nombreux régimes cinétiques particuliers dans les systèmes Fe-C-X peuvent être prévus avec un minimum de paramètres d'ajustement, principalement le rapport entre les diffusivités de l'élément substitutionnel dans l'interface épaisse et dans le volume d'austénite. Le troisième chapitre porte sur l'étude d'un modèle de champ de phase. Une analyse approfondie des conditions à l'interface données par le modèle est réalisée en utilisant la technique des développements asymptotiques. En utilisant les connaissances fournies par cette analyse, le rôle de la mobilité intrinsèque d'interface sur la cinétique et les régimes de croissance est étudié, à la fois dans le cas simple d'alliages binaires Fe-C et dans le cas plus complexe d'alliages Fe-C-Mn / Transformation in steels focusing on the thermodynamic and kinetics conditions at the alpha/gamma interfaces during the ferrite growth. The first chapter deals with the determination of thermodynamic equilibria between alpha and gamma with CalPhad thermodynamic description. We have developed a new hybrid algorithm combining the construction of a convex hull to the more classical Newton-Raphson method to compute two phase equilibria in multicomponent alloys with two sublattices. Its capabilities are demonstrated on ternary Fe-C-Cr and quaternary Fe-C-Cr-Mo steels. In the second chapter, we present a thick interface model aiming to predict the whole spectrum of conditions at an alpha/gamma interface during ferrite growth, from full equilibrium to paraequilibrium with intermediate cases as the most interesting feature. The model, despite its numerous simplifying assumptions to facilitate its numerical implementation, allows to predict some peculiar kinetics in Fe-C-X systems with a minimum of fitting parameters, mainly the ratio between the diffusivities of the substitutional element inside the thick interface and in bulk austenite. The third chapter deals with the phase field model of austenite to ferrite transformation in steels. A thorough analysis on the conditions at the interface has been performed using the technique of matched asymptotic expansions. Special attention is given to clarify the role of the interface mobility on the growth regimes both in simple Fe-C alloys and in more complex Fe-C-Mn alloys

L'étude réalisée porte sur la formation des microstructures par changement de phases dans l'alliage de titane [bêta]-métastable Ti-5553. Les transformations de phase ont été caractérisées au refroidissement depuis le domaine monophasé [bêta] et au cours de revenus après mise en solution dans le domaine [bêta] (ou [alpha]+[bêta]) et trempe. L'influence des paramètres du traitement thermique (vitesses de refroidissement et de chauffage, températures de transformation) sur les cinétiques de changements de phase, sur les séquences de précipitation et sur les mécanismes de transformation a été abordée par suivi des variations de résistivité électrique, par DRX in situ sous rayonnement synchrotron et par microscopies (optique et électronique). L'évolution des paramètres de maille des phases et de la largeur à mi-hauteur des pics de la phase [bêta] a permis de mettre en évidence les variations de composition chimique et les changements d?état de contrainte engendrés lors des transformations. Les conditions de formation des phases métastables ([alpha]", w) aux températures inférieures à 500°C ont été caractérisées comme leur influence sur les microstructures finales et en conséquence sur les propriétés mécaniques. Pour mieux appréhender la précipitation intragranulaire de la phase [alpha], deux modèles (Eshelby et champ de phase) ont été développés afin de prédire les évolutions morphologiques des précipités. Ces modèles prennent en compte un comportement élastique anisotrope et hétérogène pour les deux phases. Nous avons montré que l'énergie élastique générée lors de la transformation [bêta] -> [alpha] pilote en grande partie la forme et l'orientation des précipités ainsi que leur arrangement spatial. Les résultats du calcul sont proches des observations microstructurales / The present study is mainly about microstructures formation during phase changes in the near beta titanium alloy Ti-5553. Phase transformations were characterized on cooling from the beta phase field and on ageing after solutionizing in the beta (or alpha + beta) phase field and quenching. The influence of heat treatment parameters (cooling and heating rates, transformation temperatures) on phase transformation kinetics, precipitation sequences and transformation mechanisms was analysed using electrical resistivity measurements, in situ high energy X-Ray diffraction and microscopy (optical and electron). Cell parameters evolution of each phase and full width at half maximum variations of beta phase peaks have allowed to highlight the changes of the chemical composition and the stress state during phase transformation. Formation of metastable phases (alpha?, w) at temperatures lower than 500°C were characterized as well as their influence on final microstructures and therefore on mechanical properties. For better understanding the intragranular precipitation of the alpha phase, two models (Eshelby and phase field) were developed in order to predict morphological evolutions of the precipitates. These models take into account the anisotropic and heterogeneous behaviour for both phases. We have shown that the elastic strain energy generated by beta -> alpha phase transformation drives to a large extent the precipitate shape and orientation as well as their spatial arrangement. Calculation results are close to microstructural observations

Dans cette étude nous considérons l'ébullition en paroi sous les angles de la modélisation et de la simulation numérique. Dans un premier temps nous proposons une revue bibliographique au sujet du régime d'ébullition nucléée à fort ux de chaleur pariétal et analysons plus particulièrement la compréhension du phénomène de crise d'ébullition de type caléfaction. Nous en déduisons une motivation pour l'étude de la dynamique de croissance de bulle au moyen de la simulation numérique. L'essentiel du travail concerne alors le développement d'un modèle de type champ de phase pour l'étude des écoulements liquide-vapeur avec changement de phase. Nous proposons une fermeture thermodynamique quasi-compressible dont les propriétés sont adaptées aux simulations envisagées. Le système d'équations du mouvement qui s'en déduit constitue une régularisation thermodynamiquement cohérente de la description discontinue du système diphasique, ce qui est l'avantage des modèles à interfaces diffuses. Nous démontrons que la formulation retenue permet de définir l'épaisseur de la zone régularisée indépendamment de la description thermodynamique des phases, ce qui est intéressant numériquement. Nous établissons la relation cinétique et analysons ainsi la modélisation champ de phase des mécanismes dissipatifs. Finalement nous étudions la résolution numérique du modèle à l'aide de simulations de transition de phase en configuration simple et de dynamique de bulle en isotherme.

Les circuits intégrés des puces électroniques sont gravés sur des films minces semi-conducteurs fabriqués par hétéro-épitaxie. Nous nous intéressons aux instabilités morphologiques qui peuvent apparaître au cours de la croissance de ces films.<br /><br />Du point de vue de la modélisation, les problèmes rencontrés en croissance cristalline sont essentiellement des problèmes de mouvement d'interfaces. Nous abordons le cas particulier du mouvement par courbure moyenne, ainsi que son approximation par la méthode de champ de phase via l'équation d'Allen-Cahn. La discrétisation par éléments finis que nous proposons permet de couvrir de nombreuses variantes de l'équation : conservation du volume, termes de forçage, anisotropie.<br /><br />Nous menons ensuite l'étude numérique d'un modèle variationnel de l'instabilité de Grinfeld. Celui-ci combine croissance cristalline et interactions élastiques, en couplant une équation d'Allen-Cahn à un système d'élasticité linéarisée pour le film. Une extension du modèle permet de prendre en compte le comportement élastique du substrat.<br /><br />Nous proposons, par ailleurs, un modèle de champ de phase pour l'étude de l'instabilité liée à la mise en paquet de marches en surface du film. L'étude numérique de ce modèle s'appuie sur un algorithme inspiré des techniques de recuit simulé. Celui-ci permet d'envisager la méthode de champ de phase comme un outil d'optimisation globale.

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la simulation de l’évolution de la microstructure d’un polymère. Plus précisément, nous avons étudié le changement de la morphologie du polyéthylène téréphthalate (PET) sous l’effet de différents mécanismes. Ces simulations sont réalisées par la méthode des champs de phase. Il s’agit d’une méthode basée sur l’équation de Cahn-Hilliard ou l’équation de Ginzburg-Landau. Elle utilise un paramètre d’ordre pour décrire l’état du matériau, des variables thermodynamiques et cinématiques. Ainsi on peut décrire l’évolution d’une microstructure sans suivre l’interface et ainsi reproduire l’évolution de la structure cristalline sphérolitique qui apparait lors d’une cristallisation induite par la température. Dans le cadre d’un changement de morphologie induit par la température, le calcul par champ de phase a été simulé par la méthode de différences finies et la méthode d’éléments finis. Le coefficient cinétique a été identifié à partir de données expérimentales de la littérature. En introduisant un modèle du champ de phases multiples (the MPF model) on a aussi simulé l’évolution de plusieurs sphérolites et gérer la jonction lorsque deux sphérolites se rencontrent. La croissance et la jonction des sphérolite a été modélisée par la méthode d’éléments finis : elle reproduit parfaitement l’évolution expérimentale de cristallisation isotherme d’un polymère. En comparant ces résultats avec le modèle macroscopique d’Avrami, une évaluation de la constante d'Avrami, K(T), a été discutée en fonction des fluctuations des conditions initiales (positions et taille des germes).Dans le cadre de la cristallisation induite par la déformation mécanique, nous avons couplé le champ de phase aux équations de la mécanique pour un comportement viscoélastique différent pour chaque phase. L’influence, sur la cristallisation et l’orientation, de la déformation, de la vitesse de sollicitation, du contraste entre les phases sont étudiées et comparées qualitativement aux observations expérimentales. Il s’agit d’une étude préliminaire qui devra être poursuivie et affinée afin de prédire une morphologie plus réaliste / In this thesis work, we are interested in simulating the evolution of the microstructure of a polymer. In particular, we have studied in the morphology change of polyethylene terephthalate (PET) under different mechanisms. These simulations carried out by the phase field simulation. This method based on the Cahn-Hilliard equation or the Ginzburg-Landau equation. It uses an order parameter to describe the state of material, thermodynamic and kinetic variables. Thus we can describe the microstructure evolution without tracking the interface (which would require complex remeshing) and reproduce the evolution of the crystalline structure within the polymers, for example the growth of spherulites which appear during crystallization induced by temperature. Within the scope the morphology changing by the temperature, the evolution of phase field simulation is performed by the finite difference method and the finite element method. The kinetic coefficient is adjusted in order to fit the experiment data in of the literature. We introduce the multiphase field model (the MPF model) in order to simulate the evolution of several spherulites and to describe the junction of spherulites. The growth and junction of spherulites have been modeled by the finite element method and nicely reproduced in comparing the experimental evolution of isothermal crystallization of a polymer. Comparing these results with the Avrami macroscopic model, an evaluation of the Avrami constant, K (T), was discussed according to the fluctuations of the initial conditions (positions and size of the germs).In the following part, we study the crystallization induced by mechanical deformation. We are interested in the viscoelastic model to simulate the induced crystallization of PET in plane stress. The phase field model coupled to mechanics will be presented. Different viscoelastic behaviors have been considered for each phase. The influence on crystallization and orientation of the deformation, the stress velocity and the contrast between the phases are studied and compared qualitatively with the experimental observations. This is a preliminary study that will have to be continued in order to predict a more realistic morphology

Anticiper l’évolution de la microstructure d’un matériau en condition d’usage est d’une importance cruciale pour l’industrie. Cette maîtrise du vieillissement nécessite une compréhension claire des mécanismes sous-jacents, qui agissent sur une large gamme d’échelles spatiales et temporelles. Dans cette optique, ce travail de thèse a choisi d’appliquer la méthode de champ de phase qui, en raison du saut d’échelle qu’elle réalise naturellement, est un outil intensivement employé dans le domaine des matériaux, pour prédire l’évolution en temps long de la microstructure. L’enjeu de l’étude a été d’étendre cette méthode à un système porté loin de l’équilibre thermodynamique, en particulier en présence d’irradiation. Nous avons ainsi adopté le formalisme du mélange ionique, introduit par Gras-Marti pour décrire le mélange balistique au sein d’une cascade de déplacements. Par l’utilisation conjointe d’un schéma numérique et d’une approche analytique, il nous a été possible d’établir le diagramme de phase générique d’un matériau irradié. Nous avons ensuite étudié le vieillissement de l’alliage binaire test AgCu sous irradiation, par l’utilisation conjointe de la méthode du champ de phase et d’approches atomistiques, dans une démarche multi-échelles. En fixant les paramètres de contrôle que sont le flux d’irradiation et la température, il nous a ainsi été possible de prédire la taille,la concentration ainsi que la distribution spatiale des nodules de cuivre produits sous irradiation dans cet alliage. La connaissance de ces informations a permis de simuler un diagramme de diffraction en incidence rasante, directement comparable aux diagrammes expérimentaux. / It is of dramatic matter for industry to be able to predict the evolution of material microstructure under working conditions. This requires a clear understanding of the underlying mechanisms, which act on numerous space and time scales. Because it intrinsically performs a scale jump, we chose to use a phase field approach, which is widely used amidst the condensed matter community to study the aging of materials. The first challenge of this work was to extend this formalism beyond its thermodynamic scope and embrace the case of far from equilibrium systems when subjected to irradiation. For that purpose, we adopted the model of ion mixing, developed by Gras Marti to account for ballistic exchanges within a displacements cascade. Based on a numerical scheme and ananalytical method, we were able to describe the generic microstructure signature for materials under irradiation.We then applied this formalism to the particular case of the immiscible binary alloy AgCu.With the joined use of the phase field approach and atomistic methods, we managed to predict how the temperature and the irradiation flux tailor the main microstructure features such as the size, the concentration and the distribution of copper precipitates. This eventually allowed us to simulate a diffraction pattern in grazing incidence, which is directly comparable to experimental ones.