Depuis la restriction de l'utilisation du plomb dans l'électronique, les alliages de brasure de type SnPb ont été remplacés majoritairement par des alliages de type SnAgCu (SAC). Des travaux précédents ont révélé un phénomène de vieillissement de ces alliages, caractérisé par une forte variation des propriétés mécaniques et se stabilisant après plusieurs années à température ambiante. L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence du vieillissement thermique sur l'endommagement des assemblages électroniques utilisant l'alliage SAC305 sous chargements mécaniques.L'étude s'est d'abord concentrée sur le comportement mécanique du SAC305, puis sur l'endommagement des joints brasés.L'impact du vieillissement sur le comportement mécanique a été évalué à l'échelle massive ainsi qu'à l'échelle d'un joint brasé. L'évolution de la dureté et du comportement mécanique cyclique à température ambiante a été reliée à un phénomène de grossissement de grain. Des essais de compression sur billes en SAC305, représentatives de la structure réelle, ont montré les mêmes évolutions. Deux modèles de comportement viscoplastique ont été développés à l'échelle d'un joint brasé pour l'alliage dans l'état initial et dans l'état vieilli. Des simulations numériques réalisées à l'aide de ces modèles, ont permis de valider cette approche.L'influence du vieillissement sur l'endommagement des joints brasés en SAC305 a été évaluée à l'aide d'essais de torsion cycliques sur cartes assemblées. Les résultats montrent que le vieillissement induit une diminution du nombre de cycles à la défaillance en fatigue oligocyclique, élément très important pour la gestion du risque dans les équipements électroniques

Les propriétés des matériaux métalliques sont très liées à leurs caractéristiques microstructurales. Par exemple il est bien connu que la taille de grains joue sur la limite élastique du matériau ainsi que sur ses capacités d'écrouissage. Ainsi, la compréhension et la modélisation de l'évolution de la microstructure d'un métal pendant un traitement thermomécanique est d'une importance primordiale afin de prédire finement son comportement ainsi que ses propriétés finales. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur la modélisation, à l'échelle d'un agrégat polycristallin, de la plasticité cristalline, de la recristallisation statique et de la croissance des grains dans un contexte de mobilité et d'énergie d'interface isotrope. Un modèle à champ complet dans un cadre éléments finis (EF) est proposé. Les grains sont représentés grâce à un formalisme level-set. L'étude EF développée peut être divisée en trois grandes parties: la génération statistique de microstructures digitales, la modélisation de la plasticité cristalline et la modélisation de la migration des joins de grains en régime de recristallisation statique. Concernant la génération statistique des microstructures digitales, une étude comparative entre deux méthodes de génération (Voronoï et Laguerre-Voronoï) a été réalisée. La capacité de la deuxième approche à respecter une microstructure basée sur des données expérimentales est mise en valeur en 2D et en 3D. Dans une deuxième étape, la plasticité cristalline des matériaux métalliques est étudiée. Deux modèles d'écrouissage ont été implémentés et validés : un premier modèle considérant uniquement les densités de dislocations totales, et un deuxième modèle différenciant les dislocations statistiquement stockées (SSDs) des dislocations géométriquement nécessaires (GNDs). Afin de valider l'implémentation de ces deux modèles issus de la littérature deux cas ont été étudiés : le premier correspond à l'étude à chaud d'un essai de compression plane d'un acier 304L, et le deuxième correspond à l'étude d'un essai à froid de compression simple d'un oligocristal de tantale composé de 6 grains. Les résultats numériques obtenus sont comparés avec les données expérimentales des deux essais. La migration des joints de grains est étudiée dans le contexte des régimes de recristallisation statique et de croissance de grains. Par rapport aux travaux pre-existants dans un cadre level-set, l'accent est mis sur la prise en compte des forces capillaires. La croissance des grains pure est en effet développée dans le formalisme éléments finis/level set considéré, et des validations à partir de résultats analytiques connus sont présentées. De plus, un travail d'analyse de modèles de croissance des grains à champ moyen existant dans la littérature est réalisé. Deux modèles en particuliers sont étudiés : celui de Burke et Turnbull et celui de Hillert/Abbruzzese. En comparant ces modèles avec les résultats obtenus par l'approche en champ complet développée, il est mis en évidence que le modèle simple de Burke et Turnbull n'est pas approprié pour décrire la croissance de grains pour tout type de distribution initiale de taille de grains. La recristallisation statique est ensuite abordée, avec une prise en compte des deux forces motrices liées (i) aux gradients d'énergies stockées sous la forme de dislocations, et (ii) aux effets capillaires. L'influence des effets de capillarité apparaît comme fortement liée à la distribution spatiale des nouveaux germes. Finalement, les résultats des simulations réalisées en plasticité cristalline sont utilisés comme données d'entrée du modèle de recristallisation statique développé. La comparaison des prédictions obtenues comparativement aux résultats expérimentaux sur 304L permet d'illustrer la pertinence d'une approche de type SSD/GND afin de prédire les sites de germination potentiels.

Les propriétés des matériaux métalliques sont très liées à leurs caractéristiques microstructurales. Par exemple il est bien connu que la taille de grains joue sur la limite élastique du matériau ainsi que sur ses capacités d'écrouissage. Ainsi, la compréhension et la modélisation de l'évolution de la microstructure d'un métal pendant un traitement thermomécanique est d'une importance primordiale afin de prédire finement son comportement ainsi que ses propriétés finales. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur la modélisation, à l'échelle d'un agrégat polycristallin, de la plasticité cristalline, de la recristallisation statique et de la croissance des grains dans un contexte de mobilité et d'énergie d'interface isotrope. Un modèle à champ complet dans un cadre éléments finis (EF) est proposé. Les grains sont représentés grâce à un formalisme level-set. L'étude EF développée peut être divisée en trois grandes parties: la génération statistique de microstructures digitales, la modélisation de la plasticité cristalline et la modélisation de la migration des joins de grains en régime de recristallisation statique. Concernant la génération statistique des microstructures digitales, une étude comparative entre deux méthodes de génération (Voronoï et Laguerre-Voronoï) a été réalisée. La capacité de la deuxième approche à respecter une microstructure basée sur des données expérimentales est mise en valeur en 2D et en 3D. Dans une deuxième étape, la plasticité cristalline des matériaux métalliques est étudiée. Deux modèles d'écrouissage ont été implémentés et validés : un premier modèle considérant uniquement les densités de dislocations totales, et un deuxième modèle différenciant les dislocations statistiquement stockées (SSDs) des dislocations géométriquement nécessaires (GNDs). Afin de valider l'implémentation de ces deux modèles issus de la littérature deux cas ont été étudiés : le premier correspond à l'étude à chaud d'un essai de compression plane d'un acier 304L, et le deuxième correspond à l'étude d'un essai à froid de compression simple d'un oligocristal de tantale composé de 6 grains. Les résultats numériques obtenus sont comparés avec les données expérimentales des deux essais. La migration des joints de grains est étudiée dans le contexte des régimes de recristallisation statique et de croissance de grains. Par rapport aux travaux pre-existants dans un cadre level-set, l'accent est mis sur la prise en compte des forces capillaires. La croissance des grains pure est en effet développée dans le formalisme éléments finis/level set considéré, et des validations à partir de résultats analytiques connus sont présentées. De plus, un travail d'analyse de modèles de croissance des grains à champ moyen existant dans la littérature est réalisé. Deux modèles en particuliers sont étudiés : celui de Burke et Turnbull et celui de Hillert/Abbruzzese. En comparant ces modèles avec les résultats obtenus par l'approche en champ complet développée, il est mis en évidence que le modèle simple de Burke et Turnbull n'est pas approprié pour décrire la croissance de grains pour tout type de distribution initiale de taille de grains. La recristallisation statique est ensuite abordée, avec une prise en compte des deux forces motrices liées (i) aux gradients d'énergies stockées sous la forme de dislocations, et (ii) aux effets capillaires. L'influence des effets de capillarité apparaît comme fortement liée à la distribution spatiale des nouveaux germes. Finalement, les résultats des simulations réalisées en plasticité cristalline sont utilisés comme données d'entrée du modèle de recristallisation statique développé. La comparaison des prédictions obtenues comparativement aux résultats expérimentaux sur 304L permet d'illustrer la pertinence d'une approche de type SSD/GND afin de prédire les sites de germination potentiels. / Mechanical and functional properties of metals are strongly related to their microstructures, which are themselves inherited from thermal and mechanical processing. For example, the material grain size distribution plays an important role on the material yield limit and work hardening. The understanding of these microstructure evolutions during thermo-mechanical processes is of prime importance for a better prediction and control of the material mechanical properties. During this Ph.D., we have worked on the modelling of crystal plasticity, static recrystallization and grain growth at the mesoscopic scale in the context of isotropic mobility and interface energy. The full field model developed is based on a finite element formulation combined with a level set framework used to describe the granular structure. This Ph.D. thesis is divided in three main parts: statistical generation of digital microstructures, crystal plasticity modelling and grain boundary migration modelling. In what concerns the digital microstructures statistical generation, a comparative study between two methods (Voronoï and Laguerre-Voronoï) is presented. The ability of the second approach to respect a given grain size distribution is highlighted in 2D and 3D. Secondly, the metallic materials crystal plasticity is studied. Two hardening laws have been implemented and validated: the first one considering the total dislocation density and a second one that differentiates the statistically stored dislocations (SSD) from geometrically necessary dislocations (GNDs). Two different tests cases are used in order to validate the implementation of both hardening laws in the considered crystal plasticity model. The first one corresponds to a planar hot compression test (channel die test) on a 304L stainless steel whereas the second one corresponds to a simple cold compression test on a tantalum olygocrystal composed by six different grains. The obtained results are compared to experimental data for both cases. Grain boundary migration is studied for static recrystallization and grain growth phenomena. Compared to previous work in the considered level-set framework, the focus is on the consideration of capillary forces. Indeed pure grain growth is developed in the considered finite elements/level set formalism and this algorithm is validated using well-known analytical results. Moreover, the results of the developed full field grain growth model are compared in 2D with several well-known mean field grain growth models (Burke and Turbull model and Hillert/Abbruzzese model). The results obtained illustrate that only the Hillert/Abbruzzese model accurately describes grain growth kinetics for all initial grain size distributions. The validity of the Burke and Turnbull model is, on the contrary, restricted to specific distributions. Static recrystallization is then discussed considering both driving forces: (i) internal energy gradient and (ii) grain boundaries capillarity effects. The influence of capillary effects appears to be strongly related to the spatial distribution of the new grains. Finally, the crystal plasticity numerical results are used as input data of the developed static recrystallization full field model. The comparison of the numerical predictions obtained with 304L experimental results allows illustrating the relevance of the SSDs/GNDs formalism used concerning the prediction of the nuclei potential position.

Les alliages à base Nickel polycristallins sont largement utilisés pour les pièces aéronautiques soumises à des sollicitations extrêmes en service. Des objectifs toujours plus ambitieux en termes de rendement énergétique des moteurs d’avions ont conduit les constructeurs à augmenter leur température de fonctionnement. Les nuances utilisées jusqu’alors dans les parties chaudes, tels que l’Inconel 718, n’ont pas une tenue mécanique suffisante à ces températures. Le René 65 est un nouvel alliage à microstructure γ-γ’ élaboré spécifiquement pour ces applications. Il a été retenu par Safran Aircraft Engines comme constituant des disques de turbine basse pression du nouveau turboréacteur LEAP. Pour garantir la bonne tenue des disques, une microstructure fine et homogène est requise. Le procédé de forgeage de ces pièces est une séquence d’étapes de déformation à chaud et de traitements thermiques, durant lesquelles la microstructure évolue. Si les phénomènes physiques gouvernant les évolutions microstructurales sont connus, leurs mécanismes exacts et leurs cinétiques varient d’un alliage à l’autre.Des essais de déformation à chaud ont été réalisés en laboratoire dans différentes conditions de température, vitesse et taux de déformation représentatifs des procédés industriels. L’étude précise des mécanismes de recristallisation dynamique, ainsi que de leurs cinétiques, constitue la première partie de ce travail. La caractérisation fine des microstructures déformées a permis de mettre en évidence un nouveau mécanisme de recristallisation, dit de recristallisation en hétéroépitaxie, qui se superpose aux autres mécanismes conventionnels. L’interaction entre ces différents mécanismes ainsi que leurs cinétiques relatives ont été établies dans une vaste gamme de conditions de déformation. Il est démontré que ce mécanisme de recristallisation s'applique également à d'autres alliages γ-γ’. La deuxième partie de l’étude est consacrée à la stabilité des microstructures déformées lors de leur exposition à haute température. L'alliage René 65, comme d’autres alliages à base Nickel, est sensible à un phénomène indésirable dit de croissance sélective de grains. Ses conditions de déclenchement ont été déterminées, de manière à délimiter une fenêtre de forgeage critique. Les mécanismes microstructuraux à l’origine de ce phénomène ont été discutés, ainsi que la possibilité d’une solution préventive. / Polycrystalline Nickel-based alloys are widely used as components for rotative parts of jet engines submitted to extreme conditions. Endlessly increasing objectives in terms of energy efficiency have led the engine manufacturers to increase their service temperature. As a consequence, Inconel 718 and similar alloys -that were used until now- cannot withstand such severe conditions anymore, and lack mechanical resistance at the increased temperature. René 65 is a new γ-γ’ superalloy which has been designed specifically for that purpose by General Electric. It has been selected by Safran Aircraft Engines as the material for low-pressure turbine disks in the new LEAP engine. To reach the desired mechanical properties, a fine and homogeneous microstructure is required. The forging process is a complex sequence which involves various hot deformation stages and thermal treatments, during which the microstructure evolves. Although the underlying mechanisms governing the microstructure evolutions are quite known, their specific mechanism and kinetics may vary depending on the alloy.Interrupted compression tests were conducted at laboratory scale under thermomechanical conditions (temperature, strain and strain rate) in accordance with the industrial process. In the first part, the focus is placed on the dynamic recrystallization mechanisms. Accurate characterization of the deformed microstructures has enabled to highlight a new recrystallization mechanism which superimposes with more conventional ones. It was named heteroepitaxial recrystallization. The interactions between those mechanisms as well as their relative kinetics have been established in a wide range of deformation conditions. . It is demonstrated that this mechanism occurs in other γ-γ’ Nickel-based alloys. The second part of the study is dedicated to the stability of deformed microstructures when exposed to high temperature thermal treatments. René 65, as many other Nickel-based alloys, is subjected to the undesirable phenomenon of selective grain growth, which leads to very heterogeneous microstructures containing abnormally large grains in a fine matrix. Critical deformation conditions leading to heterogeneous microstructures during subsequent annealing have been determined in an aim to identify the critical forging window which should be avoided. The microstructural mechanisms responsible of this phenomenon have been investigated, and the possibility of a preventive solution is discussed.

L'objectif principal de cette thèse est de caractériser et d'analyser les phénomènes de recristallisation et de croissance des grains qui se produisent dans les métaux hexagonaux. On considère ici surtout le titane et le zirconium. pour cette raison, plusieurs expériences ont été préparées et réalisées à l'aide de la technique EBSD (la diffraction d'électrons rétrodiffusés). En même temps, un logiciel spécial utilisant l'approche de simulation et qui est basé sur le modèle Monte Carlo Potts a été conçu afin de faciliter l'analyse expérimentale. Sur la base de données expérimentales et des résultats des simulations, les modèles physiques et les hypothèses concernant les processus de recristallisation et de croissance des grains étudiés ont été proposés et vérifiés de manière positive. / The main aim of this thesis is to describe and analyse recrystallization and grain growth phenomena taking place in hexagonal metals, in particular cold-rolled titanium and channel-die compressed zirconium were considered. For that reason, several experiements were prepared and carried out using EBSD (Electron Backstartter Diffraction) technique. In addition, a special software based on Monte Carlo Potts model was developed in order to facilitate experiemental analysis using simulation approach. Based on the obtained experiemental data and simulation results, physical models and hypotheses concerning the investigate recrystallization and grain growth processes were proposed and positively verified.

Le maclage thermique est un défaut cristallographique largement discuté dans les métaux de type CFC à faible énergie de faute d'empilement. Malgré une importante littérature scientifique dédiée à ce sujet, les mécanismes expliquant précisément la formation de ces macles thermiques ne sont pas totalement élucidés à ce jour. Dans ce travail, nous avons cherché à améliorer notre compréhension de ce phénomène fondamental en métallurgie physique. Différents matériaux de type CFC (acier inoxydable 304L, nickel pur et Inconel 718) ont été considérés. Nous avons confirmé, grâce à des expériences de traitement thermique in situ couplées à des cartographies d'orientation, que la majorité des macles thermiques sont générées durant la recristallisation. De la même manière, par une expérience réalisée sur l'Inconel 718, nous avons mis en évidence que la croissance de grains pure n'était pas source de joints de macle. Par conséquent, il semble évident que les phénomènes de recristallisation et de croissance de grains ont des régimes totalement distincts associés à des mécanismes spécifiques du point de vue de la formation des macles thermiques, et doivent donc absolument être étudiés séparément. Nous avons ainsi proposé un nouveau modèle, dans lequel l'effet du signe de la courbure moyenne du front de recristallisation est pris en compte. Les influences de différents facteurs thermomécaniques, y compris le niveau de déformation, la taille de grains initiale, la température de recuit et la vitesse de montée en température, ont été étudiées à travers deux séries d'expériences. Suite à l'effet du signe de la courbure moyenne du joint de grain, nous avons proposé une méthode pour quantifier la tortuosité du front de recristallisation. Dans cette étude, nous montrons que cette quantité est corrélée à la densité de macles post-recristallisation. En sus des analyses expérimentales, des outils numériques de type champ moyen et champ complet ont également été développés dans cette étude afin de modéliser l'évolution des macles thermiques tout en tenant en compte des mécanismes physiques mis en évidence expérimentalement. Les bases d'un nouveau modèle de type champ moyen ont été proposées afin de modéliser l'évolution de la densité de macles moyenne durant le phénomène de croissance de grains. Ce modèle, dans lequel seulement un paramètre doit être identifié par des donnés expérimentales, semble mieux décrire les résultats expérimentaux obtenus pour l'inconel 718 comparé au modèle de Pande, référence en la matière. Deux méthodes implicites i.e. la méthode level-set et la méthode champ de phase ont été comparées au niveau de leurs formulations et de leurs performances numériques pour des simulations de croissance de grains anisotrope. C'est la première fois que ces deux méthodes sont comparées dans le contexte de l'utilisation de maillages éléments finis non stucturés et hétérogènes en terme de taille de maille. Une nouvelle méthodologie a été ainsi proposée dans le cadre de l'approche level-set pour simuler l'évolution de macles thermiques durant le phénomène de croissance de grains. Dans cette nouvelle méthodologie, les joints de macles peuvent être insérés dans des microstructures synthétiques. De plus, les joints de macles peuvent être distingués selon leur nature cohérente ou incohérente. Nous avons montré à travers les différentes simulations réalisées que les propriétés spéciales des joints de macles peuvent être prises en compte avec ce nouveau formalisme. / Annealing twin is a crystallographic defect that is largely reported in F.C.C. metals especially those with low stacking fault energy. Despite the amount of work dedicated to the subject, the understanding of annealing twin formation mechansims is not complete in the literature. In the present work, by applying both experimental and numerical tools, we tried to have a more profound understanding of this phenomenon, which is essential to Physical Metallurgy. For this purpose, different F.C.C. Materials including 304L stainless steel, commercially pure nickel and nickel based superalloy Inconel 718 are investigated. We confirmed that annealing twins are mainly formed in the recrystallization regime, especially driven by the migration of recrystallization front into deformed regions by using in situ EBSD technique. In addition, we found in the in situ observations that there are almost no twins generated in the grain growth regime. This observation is confirmed by another grain growth experiment performed on Inconel 718. Therefore, curvature driven grain boundary migration by itself is not sufficient to generate annealing twins. A new atomistic model to explain annealing twin formation mechanism, in which the effect of migrating boundary curvature is considered, is proposed. The effects of different thermo-mechanical factors, including prior deformation level, initial grain size, annealing temperature and the heating velocity, on annealing twin formation are determined via two experiments performed on commercially pure nickel. Based on the idea of grain boundary curvature, we proposed a method to quantify recrsytallization front tortuosity. In the present study, we show evidence that this quantity is positively correlated with the twin density at the end of the recrystallization regime. In addition to experimental studies, numerical tools including both mean field and full field approaches are applied to model annealing twin evolution during grain growth by taking into account the revealed mechanisms. A basis of a new mean field model is proposed to model annealing twin density evolution during grain growth. This model, which has only one parameter to be identified, provides a better consistency with the experimental data of Inconel 718 compared to the Pande's model. Besides, full field approaches are also applied to simulate the overall microstructure evolution during grain growth. Two implicit methods i.e. the level set and the multi-phase-field methods are compared in terms of their formulations and their numerical performance in anisotropic grain growth simulations. It is the first time that these two methods are compared in the finite element context with non-structural mesh. In the present numerical context, the level set method is more suitable to describe strong anisotropy in grain boundary energy. A new methodology is thus developed in the level set framework to simulate annealing twin evolution during grain growth. This methodology, in which we can insert annealing twin boundaries into synthetic microstructures and distinguish coherent and incoherent twin boundaries, is proven to be able to counting for the strong anisotropy introduced by coherent annealing twin boundaries.

La présente étude porte sur la modélisation de la structure des joints de grains (JG) et sur les phénomènes de ségrégation. Dans les matériaux polycristallins, la ségrégation aux joints de grains a des conséquences importantes sur leurs propriétés structurelles et fonctionnelles : glissement intergranulaire, corrosion intergranulaire et modification des propriétés mécaniques. Ce phénomène devient particulièrement important pour les matériaux irradiés où la ségrégation intergranulaire induite par irradiation peut conduire à une modification locale de la composition des joints de grains et par conséquent, à une évolution parfois néfaste des propriétés macroscopiques de ces matériaux. Dans ce manuscrit, nous nous sommes focalisés sur le développement de la méthode des quasiparticules pour pouvoir modéliser ce phénomène dans des systèmes binaires. La méthode des quasi-particules est un modèle continu qui permet de modéliser les phénomènes physiques à l’échelle atomique. Un des avantages est lié à la possibilité de modéliser les déplacements des atomes dans l’espace continu, tout en permettant de modéliser des transitions diffusives s’étalant sur des temps longs. Dans ce travail la méthode des quasi-particules a été appliquée pour étudier la ségrégation du phosphore aux JG. Le lien entre les différentes structures des JG et la concentration du phosphore aux JG a été établi. Pour modéliser les phénomènes qui ont lieu aux JG dans les matériaux irradiés le modèle des quasi-particules a été développé pour pouvoir inclure des lacunes ou des auto-interstitiels puis décrire leurs cinétiques. Ensuite la diffusion et l’annihilation des lacunes (ou des auto-interstitiels) aux JG ont été modélisées. Il a été montré que lorsque la force de puits du JG est assez importante, les lacunes diffusent vers les JG et des cavités se forment aux JG en ayant une forme allongée, ce qui concorde avec les données expérimentales. Le modèle des quasi-particules a été également appliqué pour étudier la croissance des grains dans un polycristal. / This thesis focuses on the modeling of grain boundaries (GB) structure and segregation phenomena. Segregation at GB in polycrystalline materials can have profound consequences on structural and functional properties : intergranular slipping, intergranular corrosion and mechanical properties. Segregation becomes really important in irradiated materials where radiation-induced segregation can change th local composition of GB and sometimes impact the macroscopic properties of materials. In this work, the quasi-particles approach is developed to model these phenomena in binary systems. The quasi-particles approach is a continuous model able to model physical phenomena at atomic scale. One of the insight of this model is the capability to simulate atomic displacement in continuum space and diffusive transitions at mesoscale. In this work, the quasi-particles approach is used to study phosphorus segregation at GB. The link between GB structure and phosphorus concentration is highlighted. Next, vacancies or self-interstitial are introduced into the quasi-particles approach to model some specific phenomena which occur in irradiated materials. In particular, the diffusion and annihilation of vacancies (or self-interstitials) at GB could be modeled. When sink strength of GB is large enough, vacancies diffuse to GB and create voids with elongated shape, consistantly with experimental observation. Finally, the quasi-particles approach is used to study grain growth in polycrystalline materials.

La recristallisation, qui peut se produire de façon dynamique ou statique, est un important phénomène qui transforme la microstructure des matériaux métalliques déformés modifiant ainsi ses propriétés mécaniques. Malgré l'existence de travaux approfondis sur la modélisation numérique du phénomène de recristallisation, la littérature scientifique manque de modèles précis capables de prédire l'évolution microstructurale dans des conditions de mise en forme multi passes. Bien que des efforts aient été réalisés dans cette direction, la plupart des modèles existants dans la littérature présentent soit un manque de validation expérimentale, soit ne fournissent que des accords qualitatifs entre les résultats numériques et expérimentaux dans des conditions de déformations connues et sélectionnées. De plus, les relations entre la recristallisation statique (SRX), la recristallisation dynamique (DRX), la recristallisation post-dynamique (PDRX) et la croissance de grains (GG) sont généralement trop simplistes. Par ailleurs, la plupart de ces modèles ne sont pas conçus pour la réalisation de simulations avec des conditions thermiques et/ou mécaniques variables et limite par conséquent leur utilisation pour des applications industrielles. Pour cette étude, un modèle à champ moyen 2 sites a été développé afin de décrire l'évolution microstructurale de l'acier 304L. L'originalité de ce modèle réside dans : (a) l'interaction de chaque grain avec deux milieux homogènes équivalents, avec respectivement une densité de dislocation élevée et faible; (b) le poids relatif de chaque milieu est lié à leur fraction volumique ; (c) la germination et la disparition des grains rendent la microstructure variable au cours du temps ; (d) les paramètres dépendent de la température et de la vitesse de déformation mais pas de la taille des grains dans les conditions DRX, et uniquement de la témpérature dans les conditions statiques (SRX/PDRX/GG); (e) des accords quantitatifs avec les résultats expérimentaux sont obtenus en fonction de (i) la cinétique de recristallisation, (ii) la courbe contrainte-déformation, (iii) taille de grain après recristallisation, et (f) le modèle a été développé pour être utilisé en conditions multi- passes, avec des valeurs variables de température et de vitesse de déformation. Afin de vérifier et valider le modèle, plusieurs essais de tractions ont été réalisés sous de nombreuses conditions différentes de température et de vitesse de déformation, afin de caractériser le mode DRX. Pour la vérification de la SRX et PDRX, des traitements de recuit ont été réalisés après la déformation plastique, respectivement à froid et à chaud. Les paramètres du modèle ont premièrement été estimés à partir des donnés expérimentales ou présentes dans la littérature, et ont ensuite été établis par analyse inverse. Il a été constaté que tous les paramètres du modèle évoluent de manières physiquement cohérentes en fonction de la température et de la vitesse de déformation. Les résultats obtenus à partir de la simulation de la DRX, SRX/PDEX/GG ont été analysés, en prenant en compte les effets de la température de déformation, la vitesse de déformation, la déformation appliquée ainsi que la taille de grain initiale. Un bon accord entre les résultats numériques et expérimentaux a été observé pour les différents types de recristallisation, ce qui ouvre la voie à la modélisation de la mise en forme en conditions multi passes pour des applications industrielles. Finalement, des traitements thermiques avec analyse in situ ont été réalisés afin d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de SRX/PDRX/GG. Le rôle du maclage pendant le traitement de recuit a été discuté : il semble favoriser à la fois la germination et la migration des joints de grains.

Depuis la restriction de l’utilisation du plomb dans l’électronique, les alliages de brasure de type SnPb ont été remplacés majoritairement par des alliages de type SnAgCu (SAC). Des travaux précédents ont révélé un phénomène de vieillissement de ces alliages, caractérisé par une forte variation des propriétés mécaniques et se stabilisant après plusieurs années à température ambiante. L’objectif de ce travail est d’étudier l’influence du vieillissement thermique sur l’endommagement des assemblages électroniques utilisant l’alliage SAC305 sous chargements mécaniques.L’étude s’est d’abord concentrée sur le comportement mécanique du SAC305, puis sur l’endommagement des joints brasés.L’impact du vieillissement sur le comportement mécanique a été évalué à l’échelle massive ainsi qu’à l’échelle d’un joint brasé. L’évolution de la dureté et du comportement mécanique cyclique à température ambiante a été reliée à un phénomène de grossissement de grain. Des essais de compression sur billes en SAC305, représentatives de la structure réelle, ont montré les mêmes évolutions. Deux modèles de comportement viscoplastique ont été développés à l’échelle d’un joint brasé pour l’alliage dans l’état initial et dans l’état vieilli. Des simulations numériques réalisées à l’aide de ces modèles, ont permis de valider cette approche.L’influence du vieillissement sur l’endommagement des joints brasés en SAC305 a été évaluée à l’aide d’essais de torsion cycliques sur cartes assemblées. Les résultats montrent que le vieillissement induit une diminution du nombre de cycles à la défaillance en fatigue oligocyclique, élément très important pour la gestion du risque dans les équipements électroniques / Since the use of the lead was restricted in electronic assemblies, the electronic market turned on lead-free alloys for electronic assemblies. Most of electronic manufacturers chose SnAgCu (SAC) to replace SnPb alloys. For SAC, former results suggest that high temperature thermal ageing causes a significant drop in mechanical properties, which stabilises after several years at room temperature. The aim of this work is to analyse the impact of thermal ageing on the fatigue damage of SAC305 electronic assemblies under mechanical loadings.This study first focused on the mechanical behaviour of SAC305 alloy. Then, the fatigue damage of SAC305 was analysed on solder joints.The impact of thermal ageing on the mechanical behaviour of SAC305 was evaluated at the bulk scale and at the solder joint scale. Changes in the hardness and in the cyclic mechanical behaviour at room temperature were linked to a grain growth phenomenon. Compression tests on SAC305 solder balls, which are representative of real structure, showed the same changes in the mechanical behaviour. Two viscoplastic constitutive models of mechanical behaviour were identified at the solder joint scale for both initial and aged conditions. Numerical simulations were carried out using these models and led to the validation of the proposed approach.The impact of thermal ageing on the fatigue damage of SAC305 alloy was evaluated thanks to torsion tests on assembled boards. The results of these tests show that the thermal ageing decreases the number of cycles to failure in low cycle fatigue. This observation is very important considering the reliability risk for electronic devices

Les échangeurs compacts à plaques soudés-diffusés sont une solution prometteuse dans de nombreux domaines (nucléaire, (pétro-)chimie, solaire…) du fait de leurs performances. Ils sont envisagés pour le système de conversion d’énergie du réacteur nucléaire ASTRID. Pendant le soudage CIC, la problématique est double: maîtriser la déformation des canaux et l’évolution microstructurale du matériau tout en obtenant des interfaces résistantes. Cette thèse s’intéresse à la compréhension et à la maîtrise de la microstructure des assemblages pour définir des critères « procédé » permettant l’obtention d’interfaces non marquées par le procédé et le maintien d’une taille de grains fine. Après une caractérisation approfondie de leur surface et de l’évolution au chauffage de leur microstructure, le comportement au soudage de tôles en acier austénitique 316L a été étudié en faisant varier les paramètres liés au procédé (température et pression de soudage) et au format des tôles (épaisseur, état de surface…). Les résultats montrent que la formation de l’interface est associée à des mécanismes de croissance de grain classiques avec un ancrage interfacial plus ou moins marqué selon les caractéristiques des surfaces. Les propriétés mécaniques des assemblages ont été testées afin de déterminer la nocivité des défauts rencontrés. Si les pores constituent le défaut le plus pénalisant, l’influence d’autres hétérogénéités a été mise en évidence. Les étapes de formation des interfaces ont ensuite été identifiées par la réalisation de cycles de soudage interrompus. L’intérêt d’une approche numérique par la méthode Level-Set pour simuler les évolutions microstructurales est finalement discuté. / Compact diffusion bonded heat exchangers are an attractive option in many fields (nuclear, (petro-)chemistry, solar…) due to their performance. This type of concept is especially intended for manufacturing the energy conversion system of the ASTRID reactor. During diffusion bonding by HIP, the problem is twofold: the channel deformation and microstructure evolution must be controlled, while at the same time, highly resistant interfaces are desired. This thesis is focused on the understanding and the control of the bonded components microstructure prepared by HIP in order to define « process » criteria to achieve welds in agreement with specifications of components containing fluidic channels: interfaces unaffected by the process and small grain size. After a detailed characterization of their surface and microstructural evolution during heating, the behavior of AISI 316L austenitic steel sheets has been examined in a parametric study by varying the parameters related to process (diffusion bonding temperature and pressure) and welding material (thickness, surface finish…). The results show that the interface formation is driven by conventional grain growth mechanisms with an interfacial pining more or less marked depending on surface characteristics. The mechanical properties of assemblies have been tested to determine the influence of defects. Though pores are the most critical default, the influence of other heterogeneities has also been highlighted. The different steps of bond formation have been identified by performing interrupted diffusion bonding test. The interest of modeling approach by Level-Set method to simulate microstructure evolution has been finally discussed.