Depuis des décennies, le rôle joué par les joints de grains dans le comportement plastique des matériaux cristallins interroge mécaniciens, métallurgistes, spécialistes des matériaux. Après les avancées décisives de la plasticité individuelle des cristaux et de leur comportement collectif au sein d’agrégats, les effets complexes des interfaces sur le comportement effectif constituent l’enjeu restant à maîtriser. Car si les joints peuvent aussi bien être sites d’endommagement que réseau de consolidation dans une structure polycristalline, ils contribuent toujours fortement aux propriétés macroscopiques de cette dernière. Le travail réalisé est une contribution à l’étude du comportement des joints lors de traitements thermomécaniques induisant leur mobilité. On parle de migration.Nous avons étudié les caractéristiques essentielles de la migration de joints de grains à partir du mécanisme de SIBM (croissance de grains sans germination après faible déformation plastique). La migration des joints de grains sous recuit après déformation a été suivie in situ en MEB. Les évolutions microstructurales sont analysées en MEB et en AFM. Les principales forces et caractéristiques contribuant à la migration des joints sont étudiées. Pour les forces, un diagramme de migration reliant le déplacement des joints à l’énergie de courbure et à l’énergie stockée par déformation plastique a permis d’évaluer la pertinence de l’expression usuelle de la force motrice de migration et d’en discuter de possibles ajustements. Pour les caractéristiques, nous avons confirmé l’effet de surface de la gravure thermique et celui plus intrinsèque des jonctions triples sur la mobilité des joints de grains. / For many decades, the role of grain boundaries in the plastic behavior of crystalline materials questions engineers, metallurgists, materials scientists. After the decisive progress in plasticity of individual crystals and for their collective behavior in aggregates, the complex effects of boundaries on the actual behavior are the remaining challenge to master. If boundaries can as well be considered as damage sites as strengthening network in a poly-crystalline structure, they always contribute greatly to the macroscopic properties of the latter. This work is a contribution to the study of the behavior of boundaries during thermomechanical treatments inducing mobility. We talk about migration.We studied the essential characteristics of the migration of grain boundaries from SIBM mechanism (Strain Induced Boundary Migration). The migration of grain boundaries under annealing after deformation was monitored in situ SEM. Microstructural changes are analyzed by SEM and AFM. The main strengths and characteristics contributing to the boundary migration are studied. For strengths, a migration diagram linking the displacements of grain boundaries to the curvature energy and the stored energy from plastic deformation allowed to assessing of the relevance of the usual expression for the migration driving force and to discussing possible adjustments. For characteristics, we confirmed the surface effect of the thermal grooving and the more intrinsic one of triple junctions on the mobility of grain boundaries.

Les gaz rares sont d’excellents traceurs des hétérogénéités géochimiques et isotopiques présentes dans le manteau terrestre. Cependant, le stockage et le transport de ces éléments dans les minéraux mantelliques restent mal compris. Cette thèse est centrée sur les sites de stockage de l’hélium et l’argon, et leurs mécanismes de diffusion dans les roches mantelliques. Des échantillons d’olivine polycristalline ont été dopés en hélium et argon à haute température (1150 ± 25 and 1050 ± 25 °C) et haute pression (0.30 ± 0.01 GPa), et analysés par chauffage par paliers de température avec un spectromètre de masse. L’influence d’une concentration initiale hétérogène dans l’échantillon sur les diffusivités calculées a également été testée, démontrant la robustesse des paramètres de diffusion obtenus dans cette étude. Les résultats montrent que deux domaines de diffusion sont présents dans l’olivine polycristalline : (i) un domaine à haute température avec une énergie d’activation (Ea) élevée où la diffusion est contrôlée par la diffusion dans la maille cristalline, et (ii) un domaine à plus basse température avec une Ea plus faible où la diffusion est contrôlée par à la fois la diffusion dans la maille cristalline et celle dans les joints de grains. Ces deux domaines sont séparés par une température de transition qui a lieu au moment où les joints de grains ont été vidés. Mes résultats confirment que les joints de grains peuvent représenter un site de stockage significatif pour l’hélium et l’argon. Pour l’hélium, deux populations d’Ea ont été observées dans le domaine de la maille cristalline de l’olivine, interprétées comme correspondant à la diffusion de l’hélium dans les sites interstitiels (Ea = 95 ± 15 kJ.mol-1) et dans les sites vacants du Mg (Ea = 168 ± 19 kJ.mol-1). Pour l’argon, une valeur moyenne des paramètre de diffusion dans la maille cristalline (Ea = 166 ± 44 kJ.mol-1 et logD0 = −7.04 ± 1.13 avec D0 en m2.s-1) a été obtenue à partir des données de la littérature et de notre étude. De plus, les paramètres de diffusion dans les joints de grains ont été déterminés : Ea = 45 ± 12 kJ.mol-1 et D0 = 5.30 ± 1.53 * 10-13 m2.s-1 pour l’hélium, et Ea = 22 ± 5 kJ.mol-1 et log(D0) = -12.33 ± 0.3 pour l’argon avec D0 en m2.s-1. En appliquant ces résultats au manteau supérieur, il s’avère qu’une quantité conséquente d’hélium et d’argon peut être stockée aux joints de grains (~ 22% pour une taille de grain de 1 mm). En conséquence, les diffusivités globales peuvent être significativement plus élevées que celles de la maille cristalline, induisant des implications importantes pour la géochimie et la géodynamique du manteau terrestre / Noble gases are key tracers of mantle geochemical and isotopic heterogeneities and can constrain our understanding of mantle geodynamics. Nevertheless, the basic mechanisms of noble gas storage and transport in mantle minerals remain poorly understood. In this PhD thesis, I focused on helium and argon to constrain their storage sites and the diffusive mechanisms, which occur in mantle rocks. Polycrystalline olivine was doped with helium and argon at high temperature (1150 ± 25 and 1050 ± 25 °C) and high pressure (0.30 ± 0.01 GPa), followed by step heating extraction experiments. I also tested the effect of heterogeneous initial concentrations on the extracted diffusivities, and demonstrate the robustness of diffusion parameters obtained in this study. My results show that two diffusion domains are present in polycrystalline olivine: (i) a high temperature domain with high activation energy (Ea) where diffusion is only controlled by lattice diffusion, and (ii) a lower temperature domain with lower Ea where diffusion is controlled by both grain boundary and lattice diffusion. These two domains are separated by a transition temperature that depends on the depletion of helium or argon hosted in grain boundaries, i.e., the amount of helium or argon stored at grain boundaries and the temperature and duration of the step heating sequence. The results confirm that grain boundaries can represent a significant storage site for helium and argon. Moreover, I constrained argon and helium diffusion in olivine lattice. For helium, I report two different populations of Ea in the lattice diffusion domain, which are interpreted as diffusion in interstitials (Ea = 95 ± 15 kJ.mol-1) and Mg vacancies (Ea = 168 ± 19 kJ.mol-1). For argon, a mean value of diffusion parameters in olivine lattice (Ea = 166 ± 44 kJ.mol-1 and logD0 = −7.04 ± 1.13 with D0 in m2.s-1) is obtained for data from literature and this study. Furthermore, I determine grain boundary diffusion parameters: Ea = 45 ± 12 kJ.mol-1 and D0 = 5.30 ± 1.53 * 10-13 m2.s-1 for helium, and Ea = 22 ± 5 kJ.mol-1 and log(D0) = -12.33 ± 0.3 for argon with D0 in m2.s-1. Applying these results to the upper mantle reveals that high content of helium and argon can be stored at grain boundaries. As a consequence, bulk diffusivities can be significantly higher than lattice diffusivities, inducing important implications for mantle geochemistry and geodynamics

Les aubes de turbines haute pression des turboréacteurs sont soumises à des chargements thermomécaniques sévères en service. Elles sont actuellement fabriquées par solidification dirigée sous forme de monocristaux orientés suivant la direction <001> le long de la direction principale de l'aube. La solidification peut entrainer dans certains cas l'apparition de défauts, notamment la formation de deux grains : l'aube est alors constituée de deux grains d'orientations différentes. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la présence d'un joint de grains sur la durée de vie de l'aube en superalliage AM1. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude expérimentale sur aubes réelles afin de déterminer l'influence du joint de grains sur la rupture par fatigue en flexion à différentes températures. Pour cela, des entailles ont été usinées dans les aubes pour solliciter de façon préférentielle le joint de grains au sein de l'aube dans des essais de type flexion. Cette étude a permis de mettre en évidence le rôle du joint de grains sur la durée de vie de l'aube selon la température d'essai, l'orientation cristallographique relative des grains, la position du joint de grains et le type de sollicitation. Parallèlement, une étude exprimentale sur éprouvettes bi-cristallines de type fatigue oligocyclique a été conduite en traction compression, avec une contrainte principale de traction suivant la normale au plan moyen du joint. Ces essais ont permis de quantifier la réduction de durée de vie induite par la présence du joint de grains par rapport à une éprouvette monocristalline. Un critère de rupture a été ainsi introduit dans la loi d'endommagement développée par l'Onera pour le superalliage monocristallin d'AM1. Ce critère de durée de vie a été appliqué dans les simulations numériques des aubes remaillées et permet de faire une première estimation de la nocivité du joint de grains dans les aubes.

Les aubes de turbines haute pression des turboréacteurs sont soumises à des chargements thermomécaniques sévères en service. Elles sont actuellement fabriquées par solidification dirigée sous forme de monocristaux orientés suivant la direction <001> le long de la direction principale de l'aube. La solidification peut entrainer dans certains cas l'apparition de défauts, notamment la formation de deux grains : l'aube est alors constituée de deux grains d'orientations différentes. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la présence d'un joint de grains sur la durée de vie de l'aube en superalliage AM1. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude expérimentale sur aubes réelles afin de déterminer l'influence du joint de grains sur la rupture par fatigue en flexion à différentes températures. Pour cela, des entailles ont été usinées dans les aubes pour solliciter de façon préférentielle le joint de grains au sein de l'aube dans des essais de type flexion. Cette étude a permis de mettre en évidence le rôle du joint de grains sur la durée de vie de l'aube selon la température d'essai, l'orientation cristallographique relative des grains, la position du joint de grains et le type de sollicitation. Parallèlement, une étude exprimentale sur éprouvettes bi-cristallines de type fatigue oligocyclique a été conduite en traction compression, avec une contrainte principale de traction suivant la normale au plan moyen du joint. Ces essais ont permis de quantifier la réduction de durée de vie induite par la présence du joint de grains par rapport à une éprouvette monocristalline. Un critère de rupture a été ainsi introduit dans la loi d'endommagement développée par l'Onera pour le superalliage monocristallin d'AM1. Ce critère de durée de vie a été appliqué dans les simulations numériques des aubes remaillées et permet de faire une première estimation de la nocivité du joint de grains dans les aubes. / The high pressure turbine blade of aeroengine are submitted to severe thermomechanical loading in service. The turbine blade are curently manufactured by directionnal solidification with oriented single crystal on the direction <001>, along the principal direction of the blade.The solidification process can induce different defects in the structure.This study is focused on a particular defect: the formation of two crystals in a blade. Defective turbine blades are composed of two grains with different orientation.The aim of this present thesis is to study the influence of the grain boundary on AM1 superalloy blade fatigue life. First, experimental investigations have been performed to understand at different temperatures, the influence of grain boundaries on fatigue fracture due to bending loadings. Notches have been introduced on turbine blades in order to accentuate solicitations on grain boundary. These experiments have evidenced the major role of grain boundary and grains orientations on turbine blade fatigue life.Then another experimental investigation has been carried out under low cycle fatigue on bicrystal specimens with tension/compression loading; the tensile principal stress is along the normal direction of the grain boundary mean plane. These tests allowed quantification of the fatigue life decrease due to the presence of grain boundary compared to the fatigue life of single crystal specimens.A failure criterion have been introduced in the damage constitutive behavior of single crystal AM1 developped by the Onera. This lifetime prediction model have been implemented in FE simulations. It allows the evaluation of the sensivity of grain boundary on turbine blade.

Ce travail de thèse s’est focalisé sur les interactions entre bandes de glissement - localisant la déformation plastique dans les matériaux métalliques polycristallins - et joints de grains. Le matériau choisi comme support de l’étude est un superalliage base Nickel (UdimetTM 720Li). De récents travaux ont montré que les bandes arrêtées aux joints de grains peuvent induire dans les grains voisins des rotations cristallines concentrées au sein de régions appelées micro-volumes. Ce phénomène est observé aux températures faibles et intermédiaires (T < 500°C), sous chargement monotone et cyclique. Il est responsable des premiers stades d’endommagement et conduit à la formation des fissures fatales en fatigue.Une analyse statistique d’un grand nombre d’interactions bandes de glissement – joints de grains via des observations MEB sur éprouvettes pré-déformées a été menée en relation avec les configurations cristallographiques locales afin d’identifier celles qui favorisent ou inhibent la formation des microvolumes.Un rôle particulier de l’angle de twist traduisant l’alignement des systèmes de glissement de part et d’autre du joint de grains a été mis en évidence notamment dans le cas des joints de macle.Ensuite, le travail a porté sur l’établissement de deux stratégies de simulation numérique en champs complets par éléments finis de l’interaction d’une bande de glissement avec un grain voisin. L’étude de la réponse élastique du grain voisin et notamment l’analyse des distributions des rotations cristallines,des contraintes et scissions résolues au sein du grain en tête de la bande de glissement ont permis de mieux comprendre les conditions favorisant la transmission du glissement au joint de grains et celles conduisant à l’arrêt des bandes de glissement avec ou sans formation de micro-volumes. / This thesis research focused on interactions between slip bands – manifestation of plastic strain localization in polycrystalline metallic materials – and grain boundaries. The material chosen for the study is a nickel based superalloy (UdimetTM 720Li). Recent investigations have shown that slip bands blocked at grain boundaries can induce significant crystalline elastic rotation in highly localized regions – referred to as micro-volumes – in neighboring grains. This phenomenon is observed from room to intermediate temperatures (T < 500°C), under monotonic or cycling loading. It is responsible for the first stages of damage initiation and is at the origin of fatigue fatal cracks.A statistical analysis was carried out over a large data set of slip bands – grain boundaries interactions through SEM observations performed on pre-deformed samples. Local crystallographic configurations were investigated in order to identify those that favor or inhibit the formation of micro-volumes. A peculiar role of the twist angle - related to the alignment of slip systems on both sides of the grain boundary – was evidenced, particularly in the case of twin boundaries.Then, two strategies of numerical modeling of the interaction between a slip band and a neighboring grain using full-field finite element simulation were developed. In this work, the elastic regime only is considered and distributions of crystalline rotations, stresses and resolved shear stresses at the tip of theim pinging slip band in the neighboring grain were analyzed in order to better understand the conditions leading to the transmission of slip through the grain boundary and those leading to the termination of slip bands with or without formation of micro-volumes.

Les alliages intermétalliques riches en fer du système fer-aluminium, Fe3Al, ont des caractéristiques très intéressantes pour des applications mécaniques à haute température. Ils possèdent, comme la plupart des composés intermétalliques, une résistance mécanique élevée, une bonne résistance à l'oxydation ainsi qu'une faible densité. Cependant, les principales raisons qui limitent leurs applications sont leur fragilité à température ambiante et une forte diminution de leur résistance pour des températures supérieures à 550° C. Un aspect intéressant de ces alliages est leur comportement envers les métaux de transition. Certains éléments, comme TI, peuvent augmenter la stabilité de la phase D03, en augmentant la transition D03/B2 vers des températures plus élevées. La situation est moins claire dans le cas du Zr. En effet, malgré l'effet bénéfique du dopage en Zr sur la cohésion des joints de grains et la ductilité, il n'existe pas de données expérimentales concernant son effet sur la stabilité de la structure D03 du composé Fe3Al. Ce travail de thèse vise à étudier l'effet de ces deux métaux de transitions Ti et Zr sur les propriétés du composé intermétallique D03-Fe3Al en utilisant des calculs pseudopotentiels ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Deux principaux thèmes ont été abordés : (i) la compréhension du rôle de ces deux métaux de transition en termes de stabilité de la phase D03 à la lumière de leur site préférentiel dans la structure D03-Fe3Al ; (ii) le comportement du Ti et Zr dans le joint de grains [sigma]5 (310)[001] ainsi que leur effet sur la stabilité structurale de cette interface. Un élément important pour étudier ces aspects est de prendre en compte l'effet de la température. Cela nécessite un traitement de type dynamique moléculaire des atomes dans la supercellule. La technique dynamique moléculaire ab initio (AIMD) résout ces problèmes en combinant des calculs de structure électronique avec la dynamique à une température finie. Ainsi, notre étude a été menée à la fois en utilisant des calculs ab initio statiques à 0K ainsi que la prise en compte de l'effet de la température jusqu'à 1100K (Dynamique Moléculaire Ab Initio) / Fe3Al-based intermetallic compounds are promising materials for structural applications at high temperature. Their advantageous properties originate from their low density and their high corrosion resistance in oxidizing and sulfidizing environments. However, because of their limited room temperature ductility and their low strength and creep resistance at higher temperatures (~ 550 °C), it is necessary to improve their properties to adapt them for structural applications. An interesting aspect of these alloys is their behaviour towards transition metal impurities. Some elements like Ti increase the stability of the D03 by increasing the D03/B2 transition towards higher temperature. The situation is less clear for Zr addition, indeed, despite the beneficial effect of small Zr addition on the grain boundary cohesion and ductility ; there is no experimental data available concerning its effects on the stability of the D03-Fe3Al compounds. In this thesis the effect of Ti and Zr transition metals on the D03-Fe3Al intermetallic compounds has been investigated by means of ab initio Pseudopotentials numerical simulations based on Density Functional Theory. Two main issues will be addressed : (i) the understanding of the rôle of these two transition metals in terms of stability of the bulk at the light of their site preference in the D03-Fe3Al structure ; (ii)the behaviour of Ti and Zr transition metals in the [sigma]5 (310) [001] grain boundary and their effect on the structural stability of this interface. An important issue when studying these aspects is to take into accounts the effect of temperature. This requires a molecular dynamics treatment of the atoms in the supercell. The technique known as ab initio molecular dynamics (AIMD) solves these problems by combining on the fly electronic structure calculations with finite temperature dynamics. Thus, our study was conducted both using the conventional static ab initio calculations (0K) as well as by taking into account the effect of temperature (ab initio molecular dynamics)

Grand nombre des propriétés des alliages dépend de la structure et de la composition chimique des défauts. Dans ce contexte, nous avons étudié la ségrégation interfaciale d'un système présentant une forte démixtion en volume et une tendance à ségréger en surface (i.e. Cu/Ag), par simulations Monte Carlo avec déplacements et un modèle d'Ising effectif sur réseau rigide. Les interfaces considérées sont le joint de grains de flexion Sigma=5 (310) <001> ainsi que les surfaces (001) et (310). Les résultats obtenus en Monte Carlo pour le joint de grains montrent l'existence d un composé ordonné bi-dimensionnel dans le plan du joint... dans un système à tendance à la démixtion ! Pour la surface (001), nous montrons l'apparition d une surstructure cristallographique illustrant le couplage complexe entre ségrégation et modification structurale. L analyse par le modèle sur réseau rigide nous a permis de déterminer les forces motrices de ségrégation intergranulaire et superficielle. Le couplage des deux méthodes a mis en évidence le rôle important de l'entropie vibrationnelle dans la ségrégation intergranulaire, alors qu'elle peut être négligée pour la ségrégation superficielle. L'évaluation de l'entropie vibrationnelle de ségrégation doit tenir compte des couplages entre vibrateurs premiers voisins (le modèle d Einstein ne pouvant donc être utilisé) et de la dilatation thermique différentielle à proximité du joint de grains. Nous avons alors utilisé l'approche analytique pour déterminer les isothermes de ségrégation intergranulaire. Nous avons ainsi mis en évidence une transition de phase du premier ordre à caractère multicouche. Un comportement identique est obtenu pour la surface (310), les interactions inter-plan étant à l'origine de ces transitions. Cet aspect multicouche de la ségrégation intergranulaire a été confirmé par des simulations Monte Carlo montrant de plus l'apparition d un phénomène de mouillage, le joint de grains initial se scindant en deux interfaces séparées par une phase métastable.

L'analyse d'images consiste à extraire de manière quantitative une part de l'information que contient une image. Cette méthode d'analyse est utilisée ici pour des problèmes bien différents : fracturation, forme des grains dans une roche et orientation cristallographique du quartz. Le premier exemple traité concerne l'étude des fractures relevées sur le site du barrage de Vinça (Pyrénées Orientales). L'interprétation structurale associe la fracturation du massif à un grand accident connu sous le nom de faille de Catalogne. Le second exemple porte sur la forme des grains de calcite dans un marbre de Carrare. L'analyse des images permet de mettre en évidence, par l'étude de l'orientation des joints,une faible anisotropie de forme des grains de la roche, expliquant ainsi l'anisotropie de déformation observée en chauffant le marbre. Dans le troisième exemple, l'étude de l'orientation cristallographique du quartz (par détermination de l'orientation de l'axe c par analyse d'images) dans les quartzites du massif de Dora Maira montre que la déformation correspond à, un cisaillement simple avec déplacement des zones hautes vers l'Ouest.

Ce travail a permis de mettre en évidence des phénomènes électriques originaux concernant les interactions entre les gaz et le dioxyde d'étain préalablement traité avec du SO₂. Les résultats expérimentaux ont conduit à considérer l'échantillon comme un dispositif électronique complexe mettant en jeu des effets électriques aux électrodes de contacts et aux joints de grains, ainsi que des effets chimiques de surface liés à l'adsorption des gaz. Il a été mis en évidence toute l'importance que peut entraîner la présence des barrières de potentiel aux interfaces. L'influence de l'eau ou des groupements hydroxyles sur les mécanismes d'interactions physicochimiques a été précisée. Cette étude permet par ailleurs de définir sous quelles conditions des gaz qualifiés d' "actif " peuvent induire des valeurs de conductances très élevées. Ces propriétés particulières ont été utilisées pour développer un capteur solide à gaz présentant des qualités intéressantes notamment au niveau de la sélectivité.

Nous avons étudié in situ et en temps réel la structure de grains du silicium multi-cristallin issue de la solidification dirigée en utilisant l’imagerie X synchrotron. La radiographie X permet de suivre l’évolution de l’interface solide/liquide et de caractériser sa dynamique et sa morphologie. La topographie X nous donne des informations sur la structure de grains formée, les contraintes et les défauts issus de la solidification. Nous avons montré l’importance la préparation de l’état initial de la solidification en particulier pour les expériences de reprise sur germe. L’analyse de la morphologie de l’interface solide/liquide nous a permis de caractériser la surfusion cinétique du front de solidification, de comprendre l’évolution des sillons de joints de grains et d’analyser les mécanismes de compétition de grains ainsi que de révéler l’impact des impuretés sur la structure de grains formée à l’issue de la solidification. Le phénomène de maclage a aussi été observé dans nos expériences et nous avons démontré que les macles dans le silicium multi-cristallin peuvent être des macles de croissance. Deux types de macles ont été identifiés et le phénomène de compétition de grains en présence de macles étudié. / We studied in situ and real-time the grain structure of multi-crystalline silicon from directional solidification using synchrotron X-ray imaging techniques. X-ray Radiography gives information on the evolution, dynamics and morphology of the solid/liquid interface. X- ray Topography gives more information on the grain structure, strains and defects that occur during solidification step. We showed the importance of the preparation of the initial stage of solidification in particular in the experiments where solidification is initiated from seed. The analysis of the solid/liquid interface morphology allowed us to characterize the kinetic undercooling of the solidification front, to understand the evolution of the grains boundary grooves and to analyze the mechanisms of grain competition and also to reveal the impurities impact on the grain structure formed at the end of the solidification. We also observed twinning phenomenon in our experiments and we demonstrated that twins in multi-crystalline silicon can be growth twins. Two kinds of silicon twins have been identified and the grain competition phenomenon with twins studied.