Ce travail s'inscrit dans le cadre de la plasticité cristalline. Sa première motivation est le développement d'une approche couplée, capable de prendre en compte l'interaction entre la plasticité et l'environnement dans les tubes de zircaloy des centrales nucléaires. La première étude sur la plasticité du zircaloy, influencée par l'environnement, a été menée par (O.Diard, G.Cailletaud, ENSMP). Les conditions d'interaction y sont bien caractérisées, et un premier modèle représentant l'endommagement des joints de grains suite à l'interaction avec l'iode y est proposé. Il restait à améliorer l'intégration numérique, et à utiliser le modèle pour des structures plus réalistes. Par ailleurs, il s'agit désormais de représenter l'endommagement intergranulaire, suivi de l'écrouissage transgranulaire, observé expérimentalement.<br />Afin d'atteindre ces objectifs, plusieurs points ont du être abordés. Une modélisation plus pertinente est ici utilisée pour les joints de grains, et une formulation du modèle en transformations finies est proposée. L'objectif initial a donc été élargi. En dehors des calculs d'agrégats endommagés du zircaloy, on trouvera les calculs d'une éprouvette de cuivre, maillée en 3d. C'est une étape indispensable pour tester la méthode numérique dans le cas de déformations modérées. Quelques résultats concernant la méthode numérique sont également présentés. Le manuscrit est organisé en trois parties. Tout d'abord, la partie A est consacrée à la description des modèles. Les outils numériques sont ensuite expliqués dans la partie B. Enfin,la partie C présente les resultats numériques. Dans la première partie, la formulation initiale d'un modèle du monocristal (section 1) est tout d'abord exposée; puis vient le nouveau modèle DOS (Damage, Opening and Sliding) proposé pour une description de joints de grains (section 2); enfin la dernière section est consacrée aux algorithmes en transformations finies (section 3). L'élasticité, la plasticité J2, la plasticité cristalline, et finalement le modèle DOS, sont successivement examinés. Le schéma implicite est utilisé pour l'intégration numérique. Dans la Partie B, une méthode de génération de maillages particuliers, comportant une représentation explicite des joints de grains, avec de véritables éléements finis, est exposée. Cette procédure est développée de façon systématique, dans le cas 2d et 3d (section 4). Puis, le principe de calculs avec couplage est expliqué (section 5). Les modèles du matériau et les outils numériques sont appliqués aux calculs d'aggrégats de zircaloy dans la section 7 de la partie C: une simulation de l'effet de corrosion sous contraintes des tubes du zircaloy dans l'environement de l'iode est proposée. Afin de montrer les possibilités de notre algorithme et d'avoir une comparaison avec l'expérience, la section 6 montre les résultats de calcul de l'état contrainte-déformation d'une éprouvette de cuivre, testée à l'Université de Leoben (O.Kolednik, et al.).

Les modèles continus de plasticité cristalline appliqués aux calculs de polycristaux métalliques sont efficaces pour voir le comportement mécanique global du polycristal, à partir des lois de comportement du monocristal. On obtient ainsi également les champs de contraintes et déformations locaux dans les grains. Ceci est rendu possible à l'aide de simulations par éléments finis sur un volume élémentaire représentatif d'agrégat et les modèles d'homogénéisation numérique. Ces approches échouent néanmoins pour décrire les effets d'échelle, classiquement observés en métallurgie physique et dont l'archétype est l'effet de taille de grain. Un modèle de plasticité cristalline de Cosserat appliqué dans le cas du comportement élastoplastique d'aciers IF ferritiques est proposé dans ce travail. Il introduit dans sa formulation une loi de durcissement supplémentaire associé à la courbure de réseau. La simulation d'agrégats polycristallins permet de reproduire numériquement un effet analogue à la loi de Hall-Petch. Une autre limite de la plasticité cristalline est liée à l'étape clé de validation expérimentale locale. L'information expérimentale est, en général, disponible à la surface de l'éprouvette.<br />La géométrie des grains sous la surface est cependant inconnue. Cette information est le plus souvent introduite dans les calculs par extension des joints de grains perpendiculairement à la surface. L'écart, fréquemment observé entre les résultats du calcul et les résultats expérimentaux, peut être expliqué par l'erreur qu'introduit ce choix. On donne ici un minorant de cette erreur en considérant plusieurs agrégats ayant la même morphologie granulaire à la surface libre mais des morphologies tridimensionnelles distinctes. En élasticité la dispersion des contraintes, en un point donné de la surface, avec différentes morphologies de grains sous-jacents est de l'ordre de 30%. En élastoplasticité la dispersion peut aisément atteindre 50% de la valeur de la contrainte, ce qui amène à considérer avec prudence l'identification d'une loi de comportement à partir des seules mesures de surface.

Thesis (doctoral)--Université de Paris, 1867. Thèse de doctorat : Physique : Paris, Faculté des sciences : 1867. / "No. d'ordre: 293" Titre provenant de l'écran-titre. Références bibliogr.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Structure et dynamique des systèmes réactifs : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3712. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences des Matériaux : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3533. Résumé en français. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne la modélisation du comportementthermomécanique de films thermoplastiques déformés à l'état caoutchoutique. Lamodélisation du comportement des films amorphes isotropes est réalisée sur la base desmodèles de Lodge ou MSF. L'amélioration des prédictions des modèles pour destempératures de déformations proches de la température de transition vitreuse est possible enconsidérant dans le spectre des temps de relaxation des temps courts provenant de la zone detransition vitreuse. La modélisation du comportement de films amorphes anisotropes a étéeffectuée en considérant que l'anisotropie est due à une pré-déformation équivalente lors duprocédé de fabrication.Au cours de cette étude, les relations entre l'orientation de la phase cristalline et les propriétésmécaniques à température ambiante des films semi-cristallins ont été démontrées Au cours dela déformation à l'état caoutchoutique de ces films, la phase cristalline tend à s'orienterparallèlement à la direction de sollicitation par fragmentation des cristaux initiaux. En sebasant sur ces observations expérimentales, la modélisation du comportement mécanique desfilms semi-cristallins est possible en découplant les contributions en contrainte de la phasecristalline et de la phase. La réorientation des cristaux génère un phénomène de durcissementstructural sous contrainte qui peut être prédit par le modèle.

Dans les dispositifs électronique, il est prochainement attendu que la réduction de la taille des composant atteingne prochainement la limite quantique. De ce fait, manipuler l'information quantique apparait comme un nouveau challenge. Les Qubits supraconducteurs basé sur la physique du solide et les Jonctions Josephson sont des systèmes prometteurs qui profitent des avantage des technologies de la micro-électronique. Toutefois, le temps de décohérence des états quantique est encore un facteur limitant. Cette limitation est généralement attribuée à la faible qualité cristalline des matériaux utilisés (défauts cristallins, impuretés). La technique d'épitaxie par jets moléculaires a été utilisé pour la croissance de couches minces de rhénium de haute qualité cristalline sur des substrat de saphir dans un environnement Ultra Haut Vide. Le misfit existant entre les réseaux cristallins du rhénium et du saphir est suffisamment bas pour permettre une croissance épitaxiale du rhénium sur le saphir, mais également une croissance d'une barrière tunnel en oxyde d'aluminium monocristallin sur la couche de rhénium elle-même. Afin d'améliorer la qualité cristallographique de la couche de rhénium, des simulations et de nombreuses techniques de caractérisation ont été utilisées. Puis les propriétés supraconductrices des films de rhénium ont été étudié à des températures ultra basses afin de comparer ces propriétés à la qualité cristallographique de nos films. / In electronic devices, it is expected that the quantum limit will soon be reached with decreasing system size. Therefore, manipulating quantum information appears as a new challenge. Solid state Qubits based on superconducting Josephson junction are promising systems which take advantage of microelectronics technology. However, decoherence time of the quantum states is still a limiting factor. This has been generally ascribed to the poor crystallographic quality of the materials used so far (crystallographic defects, impurities). The Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique may be used to grow rhenium (Re) films of high quality on sapphire substrates in an Ultra High Vacuum (UHV) environment. So far, the misfit between Re and sapphire is low enough to permit the growth of a single crystal aluminium oxide thin film on top of the Re layer. In order to improve the crystallographic quality of the Re film, some simulations and several characterizations techniques have been used. Then, the superconducting properties of rhenium films have been studied at Ultra Low Temperature in order to compare with their crystallographic qualities.

Ce travail de thèse porte sur l'élaboration et la caractérisation des propriétés physiques et chimiques d'une nouvelle famille de composés thermoélectriques, et plus particulièrement le composé BiCuSeO. Les composés de cette famille, dite 1111, présentent une structure en couche de type ZrCuSiAs. L'une des particularités de cette structure est la nature distincte des couches qui la composent, la couche Bi2O2 étant décrite comme isolante tandis que la couche Cu2Se2 est appelée couche conductrice. L'étude approfondie du composé BiCuSeO montre qu'en dépit d'un facteur de puissance (S²σ) relativement modéré, ce composé est un matériau thermoélectrique prometteur, notamment à haute température. En effet, BiCuSeO présente une conductivité thermique remarquablement faible, qui permet d'atteindre des facteurs de mérite relativement élevés. De plus, BiCuSeO présente de nombreuses voies d'améliorations possibles. L'une d'elle concerne l'étude d'un dopage aliovalent sur le site du bismuth. L'analyse des résultats a montré que l'insertion d'un élément divalent permet d'optimiser la concentration des porteurs de charges, entrainant ainsi une forte augmentation du facteur de mérite du composé. Une autre voie possible d'exploration est l'étude de l'influence de l'ion chalcogène, au travers notamment de la substitution du sélénium par le tellure, avec l'obtention d'une solution solide complète BiCuSe(1-x)Te(x)O. L'étude des propriétés électriques des composés de cette série a permis de mettre en évidence la présence d'une transition métal - semi-conducteur - métal pour les fractions de tellure inférieures à 0.5. Ainsi, bien que l'influence du tellure sur le facteur de puissance soit relativement limitée en raison de cette anomalie, des résultats intéressants ont été obtenus pour les fractions de tellure élevées. Par ailleurs, des problématiques autour d'une méthode de synthèse alternative du matériau ainsi que sa stabilité sous air sont également abordées dans ce travail.

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.

La prédiction du clivage des aciers ferritiques a été largement étudiée à l'aide de l'approchelocale de la rupture, et des modèles macroscopiques identifiés phénoménologiquement comme celui de Beremin. Cette prédiction reste cependant difficile dans le domaine de transition ductilefragile. Cela a conduit à des études micromécaniques par les approches polycristallines afin de décrire l'évolution de la contrainte de clivage en fonction de la température pour les aciers bainitiques. Dans cette étude, on utilise une approche polycristalline, puis on développe un modèle macroscopique de prédiction du clivage d'un acier de microstructure plus simple, un acier sphéroïdisé. De nombreux résultats de la littérature indiquent que leur rupture est due à la microfissuration des carbures. Le comportement mécanique et la rupture d'un acier sphéroïdisé C35R sont obtenus par des essais de traction simple et de ténacité dans une gamme de température entre -196 et 20°C. Les analyses microstructurales sont effectuées pour déterminer la distribution de taille des grains et des carbures. Des modélisations simplifiées de la microstructure de l'acier sont proposées. L'aspect polycristallin du matériau est pris en compte. Une étude paramétrique concernant la distribution des contraintes dans les carbures est réalisée. On montre que les paramètres du modèle polycristallin n'influencent pas cette distribution à la condition de représenter le même comportement global en traction. La prédiction de la rupture par clivage est basée sur une approche probabiliste, considérant la dispersion des contraintes dans les carbures due à l'hétérogénéité des champs mécaniques issue de la modélisation polycristalline. La probabilité élémentaire de rupture des carbures est ainsi obtenue. Différents modèles de rupture macroscopiques sont alors développés, basés sur des critères en germination et propagation des microfissures. Ils sont appliqués à une éprouvette SENT afin de prédire la ténacité dans le bas de la transition ductile-fragile. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que l'on doit prendre en compte l'évolution de la densité volumique des microfissures avec le chargement, l'extension des microfissures de taille variable ou leur émoussement. L'importance des différents critères dépend de la température.