Made available in DSpace on 2014-10-09T12:54:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:07:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Este trabalho tem como objetivo principal investigar o comportamento frente à corrosão de aços inoxidáveis avançados em meios fisiológicos. Foram selecionados para o estudo quatro aços inoxidáveis visando avaliar o potencial destes para aplicações em implantes cirúrgicos: um aço superferrítico (DIN W. Nr. 1.4575), a Incoloy MA 956, contendo alumínio e óxido de ítrio, um aço austenítico DIN W. Nr. 1.4970 e um aço superaustenítico obtido por meio da adição de 0,87% de nitrogênio ao aço dúplex DIN W. Nr. 1.4460. Os três primeiros aços contêm baixo teor de níquel e suas películas protetoras são ricas em cromo, enquanto a Incoloy MA 956 é isenta de níquel, e rica em alumínio, o que influencia o seu filme passivo. Os materiais foram analisados usando técnicas de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE), polarização potenciodinâmica, técnica do eletrodo vibrante, microscopia eletroquímica de varredura, microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo, microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. Os meios escolhidos para avaliação da resistência à corrosão foram a solução de Hanks, um meio de cultura e uma solução tamponada com fosfato. Os resultados de EIE foram interpretados usando circuitos elétricos equivalentes que simularam uma camada passiva dúplex em todos os materiais analisados. Todos os materiais analisados apresentaram resistência à corrosão superior à do aço inoxidável AISI 316L, correspondente ao ASTM F-138, que é o mais utilizado na fabricação de implantes metálicos. Também foi destacada a importância do tratamento de solubilização nos aços com alto teor de nitrogênio. O DIN W. Nr. 1.4970 foi considerado citotóxico e sua potencialidade para uso como biomaterial, rejeitada. O DIN W. Nr. 1.4575 e Incoloy MA 956 podem ser usados como biomateriais, mas somente em próteses odontológicas ou de fácil remoção, devido ao seu comportamento ferromagnético. O DIN W. Nr. 1.4460 com 0,87% de nitrogênio foi o que apresentou as condições mais apropriadas para uso como biomaterial, inclusive para próteses ortopédicas. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

La fissuration en relaxation (FER) peut apparaître dans les zones affectées par la chaleur de larges pièces soudées pendant leur utilisation entre 500 et 700°C. Il est admis que ce phénomène est induit par la relaxation à haute température de champs de contraintes résiduelles initialement introduits lors du soudage. L'objectif de ce travail est d'identifier, dans les aciers de type AISI 316L, les caractéristiques de ce type de matériaux, ainsi que les forces motrices, responsables du développement de la fissuration en relaxation.La méthodologie proposée consiste à reproduire les conditions de la FER dans cinq aciers de type AISI 316L de compositions chimiques différentes en utilisant des éprouvettes de type « Compact Tension » (CT) pré-comprimées. L'étude des éprouvettes à l'aide du MEB, de l'EBSD, du MET et de la tomographie X a révélé que de l'endommagement intergranulaire s'était développé dans quelques une d'entre elles. Le niveau d'endommagement mesuré dans chaque éprouvette dépend de la nuance de l'acier, de la température et de la durée d'exposition thermique, et du rayon d'entaille.Ce travail implique également la prédiction numérique des champs de déformations et de contraintes résiduelles dans les éprouvettes à l'aide d'une nouvelle loi de comportement viscoplastique à variables internes. La comparaison entre les champs de contraintes résiduelles prédits dans les éprouvettes de type CT et les distributions d'endommagement mesuré par tomographie a permis de déduire le niveau de contrainte résiduelle critique nécessaire pour l'initiation de la FER. Finalement, les distributions d'endommagement mesurées expérimentalement ont pu être correctement prédites numériquement avec une loi phénoménologique d'endommagement scalaire alimentée par les prédictions du modèle de comportement viscoplastique. / Stress relaxation cracking can potentially be found in the heat affected zone of large welded parts after service in the 500-700°C temperature range. This phenomenon, known as reheat cracking (RC), is driven by the high temperature relaxation of residual stress fields initially introduced during welding. The main objective of this doctoral thesis is to identify the material and microstructural characteristics as well as the driving forces responsible for RC damage development in AISI 316L-type austenitic stainless steels.The proposed methodology relies on the reproduction of RC conditions in five chemically different AISI 316L-type steels using pre-compressed CT-like specimens. Subsequent investigation using SEM, EBSD, TEM and X-ray tomography revealed that intergranular damage had developed in some of the specimens. The extent of damage was found to depend on the steel grade, the temperature and duration of the thermal exposure, and the notch radius.The numerical investigation of the local residual stress and strain fields in the specimens was carried out using a novel internal state variable-based viscoplastic constitutive model. A comparison between the predicted residual stress fields in the CT-like specimens and the intergranular damage distributions measured by X-ray tomography enabled the threshold level of local residual stresses associated with the initiation of stress relaxation microcracks to be inferred. Finally, the distribution of the measured local RC damage was modelled numerically by explicitly linking a suitable phenomenological scalar damage law with the above constitutive model. The corresponding results were found to be consistent with the observed damage distributions.

Nous avons étudié la sensibilité du T91 à la fragilisation par le sodium liquide. Une procédure expérimentale a été mise en place afin de procéder à des essais mécaniques en sodium sous atmosphère inerte. Grâce à l’introduction d’une étape préliminaire d’exposition au sodium, la mouillabilité du T91 par le sodium liquide et la structure de l’interface sodium/acier ont pu être étudiés en fonction des différents paramètres d’exposition. Une réduction significative des propriétés mécaniques est observée quand le mouillage de l’acier par le sodium est bon. L’utilisation de différentes teneurs en oxygène et en hydrogène suggère que l’oxygène joue un rôle primordial dans l’amélioration de la mouillabilité du T91. La sensibilité du phénomène de fragilisation à la vitesse de sollicitation et à la température a été caractérisée. A partir de ces résultats, l’existence d’une transition fragile/ductile, fonction de ces deux paramètres a été mis en évidence. L’étude de cette transition suggère qu’une étape de diffusion du sodium dans les joints de grains du T91 est limitante pour la fragilisation. Des analyses en microscopie électronique en transmission et par cartographies d’orientation de fissures arrêtées ont également permis de constater que le mode de rupture est interlatte ou intergranulaire, fournissant ainsi une image cohérente du processus de fragilisation. La même méthodologie a été appliquée à l’acier non allié XC10. Les résultats montrent un comportement en tous points similaire à celui de l’acier T91 et suggèrent donc un mécanisme commun pour les aciers cubiques centrés. De plus, ils confirment que la transition fragile ductile observée semble la conséquence d’une vitesse de propagation de fissure fragile relativement limitée. Cette propagation est activée thermiquement avec une énergie d’activation d’environ 50 kJ/mol. Enfin, il a été montré que l’acier austénitique 304L est également sensible à la fragilisation par le sodium liquide. Certaines surfaces de rupture témoignent clairement d’une rupture intergranulaire, cependant des interrogations persistent à propos du chemin de fissuration. / We studied the sensitivity of T91 steel to embrittlement by liquid sodium. An experimental procedure was set up to proceed to mechanical testing in sodium under an inert atmosphere. The introduction of a liquid sodium pre-exposure step prior to mechanical testing enabled the study of both the wettability of T91 by sodium and the structure of the sodium steel/interface as a function of the exposure parameters. The mechanical properties of T91 steel are significantly reduced in liquid sodium provided the wetting conditions are good. The use of varying oxygen and hydrogen concentrations suggests that oxygen plays a major role in enhancing the wettability of T91. The sensitivity of the embrittlement to strain rate and temperature was characterized. These results showed the existence of a ductile to brittle transition depending on both parameters. Its characterization suggests that a diffusion step is the limiting rate phenomenon of this embrittlement case. TEM and EBSD analysis of arrested cracks enabled us to establish that the fracture mode is interlath or intergranular. This characteristic is coherent with the crack path commonly reported in liquid metal embrittlement. A similar procedure was applied to the unalloyed XC10 steel. The results show a behavior which is similar to the one of T91 steel and suggest a common mechanism for liquid sodium embrittlement of body centered cubic steels. Moreover, they confirm that the ductile to brittle transition seems associated with a limited crack propagation rate. The propagation is thermally activated with activation energy of about 50 kJ/mol. Finally, it was shown that 304L austenitic steel is sensitive to liquid sodium embrittlement as well. Some fracture surfaces testify of an intergranular fracture mode, but some questions still remain about the crack path.

Le domaine émergeant de l’électronique imprimée nécessite de nouveaux matériaux peu coûteux et non toxiques pour réaliser de nombreux systèmes tels que des circuits logiques, des capteurs, des affichages, des thermoélectriques ou même du photovoltaïque sur substrat souple. Il s’agit aussi d’optimiser le fonctionnement de couches granulaires de semiconducteurs de type n et p.BiCuOS a été identifié comme un semiconducteur de type p possédant des propriétés intéressantes. Cependant, sa forte sous stoechiométrie en cuivre induit un dopage de type p trop élevé qui nuit à ses propriétés semiconductrices. De plus, comme la plupart des composés à base de chalcogénures, BiCuOS se décompose lors d’un frittage, et ne peut être densifié thermiquement. Dans le but d’optimiser des couches minces de BiCuOS, des solutions doivent ainsi être trouvées pour i) réduire le taux de dopage ; ii) obtenir de bonnes mobilités dans des couche peu denses. De nombreuses substitutions chimiques ont été essayées telles que celle du soufre par l’iode et celle du cuivre par l’argent. Ces substitutions ont permis de réduire fortement le taux de porteurs de charge. D’autre part, nous avons étudié l’effet du greffage de molécules à la surface des grains de semiconducteurs sur la conduction électronique. Des molécules conjuguées (acides téréphtaliques substitués) et des polymères dérivés des polythiophènes ont été adsorbés à la surface d’un semiconducteur modèle de type n, ZnO. L’amélioration du transfert électronique intergranulaire a été expliquée par le saut des électrons au travers de la LUMO de ces molécules.L’élaboration d’encres de particules semiconductrices stabilisées par de telles molécules a permis la fabrication par voie liquide de jonctions diodes p-n ZnO/BiCuOS avec de bonnes performances malgré l’absence de propriétés photovoltaïques. Plus largement, ce travail est une contribution à la mise en forme de nouveaux systèmes d’électronique hybride par voie de chimie douce, dont le développement permettrait la commercialisation de technologies plus respectueuses de l’environnement. / The emerging domain of printed electronics requires new cheap and non-toxic materials for applications such as logic devices, sensors, displays, thermoelectric and photovoltaic devices. It also requires optimizing the conduction in granular semiconductors. BiCuOS has been identified as a promising p-type semiconductor for such applications. However, its high copper under-stoichiometry, induces an important p-type doping, which is detrimental for its use as a photovoltaic absorber. Moreover, like all chalcogenide based materials, it shows a poor chemical stability during sintering, thermal treatment necessary to enhance transport properties. In order to optimize its properties, solutions must be found i) to control the doping content, ii) to obtain good charge carrier mobilities in thin films. On the one hand, we have explored different kinds of substitutions such as iodine for sulfur or silver for copper, which successfully enabled to strongly reduce the charge carrier density. On the other hand, we have studied the effect of grafting conjugated molecules (terephthalic acid and polythiophene derivatives) onto the surface of a model n-type semiconductor (ZnO) to study their effect on the intergranular transport. Electronic transfer improvement occurs by transfer though a lowered energy barrier formed by the LUMO of the molecules. The formulation of optimized inks using these molecules as additives allowed the thin film deposition of p-n diodes formed with ZnO/BiCuOS. Although no photovoltaic effect has been detected yet, the p-n junctions showed high nonlinear properties and are strongly photosensitive. With this work, we have participated to the elaboration of new sulfides and hybrid interfaces systems for the improvement of semiconductor devices. The development of such hybrid electronic devices through soft chemistry method is a valuable step towards the commercialization of sustainable technologies.

Dans les réacteurs nucléaires à eau sous-pression, le combustible est constitué de pastilles d’oxyde d’uranium (UO2), dont le comportement ne peut être simulé qu'à travers une modélisation multi-échelles et multi-physiques, tenant compte à la fois de la thermo-mécanique et de la physico-chimie relative aux produits de fission. L’évolution récente des modèles et des moyens de calcul a permis de développer les simulations à l’échelle de la microstructure et d’accroitre les possibilités de couplage. Ce travail concerne le développement d'un modèle de comportement thermo-mécanique de l’UO2 à l’échelle du polycristal. Le comportement du VER est analysé en termes de réponse effective et de phénomènes de localisation. Nous nous intéressons notamment aux valeurs de pression hydrostatique, qui pilotent le transport des produits de fission. La robustesse des résultats obtenus en fonction du choix du maillage éléments finis est étudiée. Une série de calculs est présentée afin de trouver un compromis satisfaisant en termes de discrétisation pour une estimation correcte des contraintes locales. Une première étude propose de retrouver des mesures expérimentales de dé cohésion intergranulaire sur le combustible en introduisant des modèles de zones cohésives dans le VER. Afin d'analyser le comportement micromécanique de l’UO2 en irradiation, un chargement de type rampe de puissance est appliqué au polycristal. L’analyse des distributions locales de contraintes donne lieu à une discussion sur l’effet de l’incompatibilité intergranulaire sur le transport des produits de fission. / In Pressurized Water Reactors (PWR), fuel is generally composed of uranium dioxide pellets piled up within a zirconium tubular cladding. Modeling of the fuel behavior in nominal and accidental conditions requires multi-scale models in order to take into account both the thermo-mechanical behavior of the pellets and the effects of fission gases. Recent development of micromecanical tools of simulation has improved coupling possibilities. Our study proposes to set a full micromechanical model for uranium dioxide dealing with both mechanics and fission products transport at the scale of a polycristalline aggregate. Both the effective behavior of the RVE and stress localization effects are studied. Hydrostatic pressure, which directly controls the diffusion of fission gases, is given a particular focus. The numerical robustness of results is also debated in terms of mesh refinement. A series of simulations leads to a satisfying compromise between accuracy and calculation time. A study compares experimental measurement of intergranular crack opening and simulation results obtained using cohesive models. The micromecanical behavior of uranium dioxide during irradiation is analysed by submitting the polycristalline RVE to transient irradiation. The local stress distribution leads to a debate on the consequences of intergranular strain incompatibility on fission gases diffusion.

Pour réduire le poids des structures aéronautiques, plusieurs voies ont été explorées. Parmi elles, l'utilisation des alliages d'aluminium légers et le remplacement des structures rivetées par des structures soudées par Friction Stir Welding (FSW) sont envisagées. La question de la durée de vie de ces structures préoccupe les industriels. Dans ce cadre, cette étude porte sur la sensibilité à la corrosion sous contrainte intergranulaire (CSC-IG) du noyau de soudure par FSW de l'alliage Al-Cu-Li 2050. Ce matériau est composé de grains équiaxes dont la taille diminue de 17 à 4 µm à mesure que l'on s'éloigne de la surface de soudage. Une variation de texture est révélée grâce à des cartographies EBSD formant la microstructure des « onion rings ». La périodicité de ces « onions rings » est égale à l'avancée du pion FSW sur un tour (500 µm pour notre matériau). Ces hétérogénéités microstructurales entraînent des gradients de champs mécaniques locaux quantifiés par corrélation d'images lors des essais mécaniques. Ces hétérogénéités microstructurales et mécaniques favorisent les phénomènes de corrosion localisée lorsque le matériau est soumis à un environnement agressif. Les effets des contraintes et de la microstructure sur la CSC-IG sont mis en évidence par des essais de corrosion et des essais de corrosion sous contrainte (CSC). Les essais de corrosion montrent une sensibilité du matériau à la piqûration alors que les essais de CSC révèlent l'amorçage de fissures intergranulaires. Les plus grosses fissures s'amorcent préférentiellement à la frontière des « onion rings ». Un modèle par éléments finis a été développé dans le but de simuler la propagation des fissures intergranulaires sur des agrégats réels générés par des cartographies EBSD. / To reduce the aircraft components weight, several solutions were explored. Among them, the using of light aluminum alloys and the substitution of riveting by friction stir welding (FSW) are investigated. Industry is concerned by the question of the life of such structures. For this, this study is focused on intergranular stress corrosion cracking (IGSCC) sensitivity of the 2050 Al-Li-Cu alloy friction stir weld nugget. This material consists of equiaxed grains whose size is decreasing with the distance from the weld surface between 17 µm at the top and 4 µm at the bottom. The “onion rings” microstructure is revealed by EBSD cartographies as a texture variation. They appear with a periodicity of 500 µm corresponding to the advance per revolution of the tool. Those microstructural heterogeneities cause local mechanical field gradients quantified by digital image correlation measurements during mechanical tests. Those microstructural and mechanical heterogeneities promote localized corrosion when the material is submitted to an aggressive environnement. Microstructure and stress effects on IGSCC are shown by corrosion tests and stress corrosion tests. The first ones show a sensitivity to pitting corrosion and a stress application reveal initiation of intergranular cracks. The biggest ones preferentially initiate at “onion rings” boundaries. A finite element model was developed in order to simulate intergranular cracks propagation on real aggregates obtained by EBSD cartographies.

Os tratamentos de cementação, têmpera, revenimento e jateamento por granalhas são muito utilizados na produção seriada de peças da indústria automobilística, como engrenagens e eixos. Variações destes processos podem influenciar a vida em fadiga por flexão dos componentes descritos. O objetivo deste trabalho foi estudar a influência de variações no tempo de jateamento por granalhas, variações na temperatura de revenimento e de diferentes profundidades de oxidação intergranular, no crescimento de trincas curtas por fadiga na camada cementada do aço DIN 20MnCr5. Para isso foram feitos ensaios de fadiga por flexão em quatro pontos, utilizando corpos de prova de seção retangular e sem entalhe. Para o acompanhamento do crescimento de trincas curtas foi utilizado o método de réplicas de acetato. Foram estudados seis níveis de jateamento, quatro níveis de revenimento e dois níveis de oxidação intergranular. Como resultados principais, foram obtidas curvas de comprimento de trinca por número de ciclos e taxa de crescimento de trinca por tamanho médio da trinca. Amostras jateadas entre trinta minutos e uma hora, revenidas à 160&#176C e com oxidação intergranular por volta de dez mícrons, apresentaram os melhores resultados em relação à vida em fadiga. / Carburizing, quenching, tempering and shot peening treatments are often used in mass production of automotive parts, such as gears and shafts. Changes in these treatments can influence the bending fatigue life of these parts. The purpose of this study was to measure the influence of different shot peening times, different tempering temperature and different internal oxidation depths, on the short fatigue crack growth in case carburized DIN 20MnCr5 steel. Four-point-bend fatigue tests were carried out in rectangular section specimens without notch. The surface short crack growth was monitored by means of acetate replication technique. Six levels of shot peening, four levels of tempering temperatures and two levels of internal oxidation were studied in this work. Crack length versus number of cycles and crack growth rate versus mean crack length were obtained as principal results. Shot peening from 30 minutes to one hour, tempering at 160#176C and a lO~m depth of internal oxidation showed the best results in fatigue life.

Inconel 718 (IN 718) is widely used in applications, such as aircraft and power turbine components. Recently, fiber laser welding has become an attractive joining technique in industry for fabrication and repair of service-damaged components. However, a major limitation in the laser welding of IN 718 is that liquation cracking occurs. In the present work, autogenous fiber laser welding of IN 718 was used to study the effects of welding parameters and different pre-weld heat treatments on liquation cracking. Contrary to previous studies, a dual effect of heat input on cracking is observed. A rarely reported effect of heat input is attributed to process instability. Liquation cracking increases with pre-weld heat treatment temperatures that increase grain size and/or, possibly, intregranular boron segregation. The study shows that pre-weld heat treatment at 950oC can be used for repair welding of IN 718 without significant loss in cracking resistance.

Inconel 718 (IN 718) is widely used in applications, such as aircraft and power turbine components. Recently, fiber laser welding has become an attractive joining technique in industry for fabrication and repair of service-damaged components. However, a major limitation in the laser welding of IN 718 is that liquation cracking occurs. In the present work, autogenous fiber laser welding of IN 718 was used to study the effects of welding parameters and different pre-weld heat treatments on liquation cracking. Contrary to previous studies, a dual effect of heat input on cracking is observed. A rarely reported effect of heat input is attributed to process instability. Liquation cracking increases with pre-weld heat treatment temperatures that increase grain size and/or, possibly, intregranular boron segregation. The study shows that pre-weld heat treatment at 950oC can be used for repair welding of IN 718 without significant loss in cracking resistance.

Le coût de la maintenance aéronautique pourrait être réduit en proposant des stratégies d’inspection « intelligentes » intégrant des outils prédictifs de l’évolution des défauts, comme la vitesse de propagation de la corrosion intergranulaire.Dans cette thèse, nous avons cherché à quantifier les deux modes d’endommagement associés à la corrosion intergranulaire sur un alliage 2024 : la composante « perforante » (dissolution des pointes de joint de grain) et la composante « émoussante » (dissolution des parois des grains dans les cavités intergranulaires). Pour évaluer la composante « perforante », nous proposons une nouvelle variante de la méthode TFP (méthode OTFP) plus complète car elle ne se limite pas à caractériser le défaut le plus rapide mais permet de suivre l’ensemble des défauts perforants grâce à la nature optique de la détection. Dans cette méthode, le dispositif expérimental laisse libre la face de détection, ce qui permet de prélever l’électrolyte issu des cavités intergranulaires et de procéder à son analyse chimique. Cette donnée, peu connue à ce jour, a été utilisée pour valider des modèles de « transport réactif » qui pourront servir de base à des simulations prédictives intégrant l’effet de la nature de l’environnement. La porosité au sein du matériau induite par la corrosion intergranulaire et amplifiée par la dissolution « émoussante » a été suivie en temps réel par mesure de la conductivité électrique avec une sonde à courants de Foucault. D’abord calibrées en régime potentiostatique, ces méthodes se sont par la suite révélées efficaces pour évaluer l’endommagement associé à la corrosion intergranulaire lors d’une corrosion de type atmosphérique. / Costs of aeronautical maintenance can be reduced by implementation of “smart” inspection strategies integrating predictive data on the evolution of defects such as the propagation rate of intergranular corrosion.In this work, intergranular corrosion damage on 2024 aluminium alloy was characterized by two modes : the “perforating” damage (dissolution of the grain boundary tips) and the “blunting” damage (dissolution of the grain walls in the intergranular cavities). To evaluate the “perforating” damage, a new version of the TFP method (OTFP method) which is more complete, was designed. The OTFP method allows to detect all the intergranular corrosion defects and not only the fastest full penetrating grain boundary thanks to the optical nature of the detection. In this method the detection backside of the thin foil is free, which makes possible the collection of the trapped electrolyte in the intergranular cavities to carry out its chemical analysis. This not well-known data, was used to validate “mass-transport” models which could be implemented in predictive simulations considering the effect of the environmental conditions. The porosity inside the foil induced by the intergranular corrosion and enhanced by the “blunting” dissolution was followed in real-time by measuring the electrical conductivity using an eddy current probe.These methods were first calibrated in potentiostatic tests and then successfully applied to evaluate the intergranular corrosion damage in atmospheric corrosion conditions.