Ce manuscrit de thèse présente les résultats de travaux concernant les effets des transitoires thermiques sur la précipitation des phases intermétalliques dans le superalliage base nickel Inconel 718® et les conséquences de cette précipitation sur les propriétés mécaniques de cet alliage. Ces travaux se concentrent sur une approche couplée capable de décrire l’évolution de la précipitation de la phase γ'' et ses conséquences sur la limite d’élasticité de l’Inconel 718®. L’état de précipitation est modélisé grâce à l’implémentation des équations de la théorie classique de germination et de croissance, modifiées afin de prendre en compte la géométrie en plaquette des précipités γ''. Ce modèle de précipitation est ensuite validé par des données expérimentales issues de la littérature mais également d’observations au microscope électronique en transmission et d’essais de diffusion de neutrons aux petits angles. La distribution de taille de la phase γ'' ainsi simulée est utilisée comme donnée d’entrée d’un modèle de prédiction de la limite d’élasticité précipitation-dépendant. Ces limites d’élasticité simulées sont enfin comparées à des résultats expérimentaux issus d’essais de traction. Une maquette de soudage a ensuite été réalisée afin de tester le modèle de prévision de limite d’élasticité pour des transitoires thermiques, dans un cas industriel. / This thesis manuscript presents the results of work concerning the effects of thermal transients on the precipitation of intermetallic phases in the nickel-based superalloy Inconel 718® and the consequences of this precipitation on the mechanical properties of this alloy. This work focuses on a coupled approach capable of describing the evolution of the precipitation of the γ'' phase and its consequences on the yield strength of the Inconel 718®. The precipitation state is modeled thanks to the implementation of the equations of the classical germination and growth theory, modified to take into account the platelet geometry of the γ'' precipitates. This precipitation model is then validated by experimental data from the literature but also from transmission electron microscope observations and small angle neutron scattering tests. The size distribution of the γ'' phase thus simulated is used as the input data of a model for predicting the precipitation-dependent elasticity limit. These simulated elasticity limits are finally compared with experimental results from tensile tests. A welding model was then made to test the elastic yield prediction model for thermal transients in an industrial case.

Les alliages conducteurs à haute tenue mécanique sont utilisés dans de nombreux domaines tels que le transport, l’énergie et l’industrie électronique. La demande en ces matériaux est croissante. Les alliages Cu-Be constituent à l’heure actuelle les matériaux conducteurs les plus résistants mais posent un problème de toxicité et de coût. Pour proposer une alternative à ces derniers, nous avons étudié des alliages Cu-Mg hypo-eutectiques. Deux voies de synthèse ont été utilisées afin d’obtenir des composites endogènes possédant une combinaison originale de propriétés structurelles et fonctionnelles : le refroidissement conventionnel et la solidification rapide par melt-spinning. Les microstructures obtenues ont en commun la présence d’agrégats eutectiques et diffèrent principalement par la dimension des paramètres métallurgiques tels que la taille de grains et la distance interlamellaire. Les systèmes présentent des forces motrices de transformation de phases importantes conduisant à une précipitation au cours d’un maintien thermique. L’investigation des propriétés mécaniques et électriques des alliages Cu-Mg montre que ces dernières égalent celles des alliages Cu-Be. En complément de l’approche expérimentale, nous avons adapté deux modèles : un modèle thermocinétique pour décrire l’évolution temporelle de la microstructure qui a lieu à haute température et un modèle mécanique permettant de rationaliser l'influence des paramètres microstructuraux sur les propriétés mécaniques et électriques. / Copper-based high strength conductive alloys are used in a myriad of applications such as transport, energy and electronic industries. The demand for these materials is booming. The strongest conductive alloy is based on the Cu-Be system which has the disadvantage of toxicity and cost. In an attempt to find an alternative to these, we have developed hypoeutectic Cu-Mg alloys. Two synthesis routes were applied to produce endogenous compounds with a unique combination of structural and functional properties: the conventional cooling and the rapid solidification by melt-spinning. The obtained microstructures share the presence of eutectic aggregates and differ mainly by the size of the metallurgical parameters such as grain size and interlamellar distance. The two systems provide high driving forces for phase transformations leading to precipitation during aging. The investigation of the mechanical and electrical properties of Cu-Mg alloys shows that they are equal to those of the Cu-Be alloys. In addition to experimental approach, we have adapted two models: a thermo-kinetic one to describe time evolution of the microstructure which takes place at high temperature and a mechanical one to rationalize the influence of microstructural parameters on mechanical and electrical properties.

Les propriétés magnétiques et mécaniques des alliages Fe-49%Co-2%V et Fe-27%Co, utilisés respectivement dans les générateurs et les transformateurs électriques de l’aéronef, ont été étudiées en fonction des traitements thermiques. Concernant le Fe-49%Co-2%V, les résultats expérimentaux ont montré que les propriétés magnétiques et mécaniques dépendent de la distance entre les interfaces qui séparent les cristallites présents dans la microstructure et ceci quel que soit le taux de recristallisation. Le champ coercitif dépend linéairement de l’inverse de la distance entre ces interfaces et la limite d’élasticité suit une loi de Hall et Petch modifiée pour tenir compte des sous-joints. De plus, une relation linéaire entre la contrainte de friction de la loi de Hall et Petch avec le taux d’ordre à grande distance mesuré par diffraction de neutrons a été établie. Finalement, en s’appuyant sur l’expérience, une loi polynomiale de degré deux reliant les pertes magnétiques et la limite d’élasticité a été proposée. Concernant l’alliage Fe-27%Co, un suivi de l’évolution de la composante de Goss {011}<100> pendant le processus de fabrication a été réalisé. Cette composante est recherchée car favorable pour les propriétés magnétiques. Il a été trouvé que l’origine de cette texture est intimement liée au cisaillement développé lors du laminage à chaud. De plus, le développement de la texture {111}<112> de déformation à froid a été étudié. Le système de glissement {110}<111>, majoritairement activé, a été mis en évidence via un couplage d’analyses EBSD et de simulations VPSC. Au cours de la déformation plastique, les composantes de Goss et Cube tournée ({001}<110>) tournent afin de positionner leur plan {110} pour le glissement facile. Ces rotations, respectivement de 35° et 55° autour de la direction transverse, permettent de former la composante {111}<112>. / Magnetic and mechanical properties of Fe-49%Co-2%V and Fe-27%Co alloys, used in electric generators and transformers of the aircraft, have been investigated as a function of heat treatments. As regards to Fe-49%Co-2%V alloy, experimental results have shown that the magnetic and mechanical properties depend on the boundary spacing, which separate the microstructure crystallites, whatever the recrystallized fraction. The coercivity depends linearly on the inverse of the boundary spacing and the yield strength follows a modified Hall Petch relationship by taking into account the sub-grain size. Moreover, a linear relationship between the frictional stress and the long range order degree measured by neutron diffraction has been established. Finally, based on the experiment, a square polynomial degree relationship between the magnetic losses and the yield stress has been proposed. As respect to the Fe-27%Co alloy, the evolution of the {011}<100> Goss component during the manufacturing process has been investigated. This sought component is favorable for the magnetic properties of the sheet. It has been found that the origin of this texture is related to its development by shearing during hot rolling. Moreover, the development of the {111}<112> cold deformation texture was studied. It has been established by coupling EBSD analysis and simulation based on VPSC model that the {110}<111> system is the predominant active slip system during the plastic deformation. During the deformation, the Goss and the rotated Cube ({001}<110>) components, rotate of 35° and 55° respectively with regard to the transverse direction. That happens in order to place the active slip plane {110} in the favorable position for gliding to develop the {111}<112> component.

Ce travail de thèse porte sur la déformation bi-axiale contrôlée de nano-composites W/Cu en couches minces déposées sur des substrats polyimides. La nano-structuration est obtenue par stratification de deux matériaux immiscibles (W et Cu) par pulvérisation ionique avec contrôle de la taille des grains au sein du film mince par contrôle de l'épaisseur selon la direction decroissance du film. Nous avons développé une procédure permettant de caractériser le comportement mécanique des échantillons à deux échelles différentes. L'essai de traction biaxial est couplé à la diffraction des rayons X (déformation microscopique) et à la corrélation d'images numériques (déformation macroscopique). Nous avons utilisé une machine de tractionbi-axiale développée dans le cadre d’un projet ANR sur la ligne de lumière DiffAbs du synchrotron SOLEIL. Elle permet de contrôler les contraintes dans des films minces supportés par des substrats polyimides. La confrontation des résultats obtenus par ces deux techniques dans le domaine d'élasticité a montré que la déformation est intégralement transmise via l’interfacefilm - substrat. La seconde étape de notre travail a consisté à étudier les déformations du nanocomposite W/Cu au-delà du domaine d’élasticité. Nous avons mis en évidence trois domaines de déformation associés à différents mécanismes de déformation. La limite d'élasticité du nanocomposite W/Cu a été déterminée en comparant la déformation élastique du film mince à la déformation macroscopique du substrat. Enfin, l'étude de la limite d'élasticité du nanocomposite W/Cu pour différents ratios de force a révélé un comportement fragile du nanocomposite W/Cu. / This thesis focuses on the biaxial deformation of W/Cu nanocomposite thin films deposited on polyimide substrates. The grain size in the thin film is controlled by stratification of two immiscible materials (W and Cu) employing sputtering techniques. We developed a procedure to characterize the mechanical behavior of samples at two different scales. A biaxial tensile test is coupled to X-ray diffraction (microscopic deformation) and digital image correlation (macroscopic deformation) techniques. We used a biaxial tensile setup developed in the framework of an ANR project on the DiffAbs beamline at synchrotron SOLEIL allowing forthe control of stresses in thin films supported by polyimide substrates. By comparing the strains obtained by these two techniques, the applied strain is determined to be transmitted unchanged in the elastic domain through the film - substrate interface. The second part of our work was to study the deformation of W/Cu nanocomposite beyond the elastic range. We have highlighted three domains of deformation associated with different deformation mechanisms. The elastic limit of the W/Cu nanocomposite was determined by comparing the elastic deformation of the thin film to the macroscopic deformation of the substrate. Finally, the elastic limit of W/Cu nanocomposite was studied for different load ratios. The overall results emphasized the brittle behavior of these nanocomposites.

Les travaux de recherche discutés dans ce manuscrit concernent la conception des générateurs de puissance électrique pour l'aéronautique. L’augmentation de la puissance massique de ces équipements passe par une augmentation des vitesses de rotation, donc une augmentation des contraintes. Un premier point est de s'assurer de la bonne tenue mécanique des matériaux. Un deuxième point est de pouvoir prendre en compte les modifications du comportement magnétique (et donc in fine du couple) lorsqu'ils sont soumis à un état de contraintes multiaxial. L’étude présentée vise en particulier à illustrer l’influence d'états de contraintes biaxiaux sur le comportement magnétique des matériaux constitutifs du rotor. Le défi repose sur la mise en place de méthodes de caractérisation du comportement magnéto-mécanique dissipatif uniaxial et multiaxial des nuances développées par Aperam et utilisées par Thales Avionics pour leurs applications aéronautiques (en FeCo-2V et Fe-3%Si à grains non orientés). Des essais non conventionnels seront effectués sur des échantillons en forme de croix de manière à s'approcher des contraintes réellement subies par le rotor. Les essais sont effectués sur la machine d'essai triaxiale Astrée du LMT-Cachan. L'état de contraintes est estimé par corrélation d'images et par diffraction des rayons X. Des mesures magnétiques anhystérétiques et de pertes d'énergie sous contraintes sont reportées. D'autre part, un modèle multi-échelle multiaxial, décrivant le comportement d’un VER à partir de l'équilibre énergétique à l'échelle microscopique sera présenté. L’approche est fondée sur la comparaison des énergies libres de chaque domaine. Une comparaison probabiliste est faite pour déterminer les variables internes que sont les fractions volumiques des domaines. Différentes stratégies envisageables pour modéliser la dissipation statique seront discutées. Puis nous présentons l’approche magnéto-élastique que nous avons retenue visant à une meilleure considération de l’effet de la contrainte sur le comportement des matériaux ferromagnétiques. / The research presented in this thesis is motivated by the design of rotors for high speed rotating machines. The increased power density of these devices requires a higher rotation speed, leading to higher levels of centrifugal forces and stress in the rotor. A first point is to ensure good mechanical strength of the materials. A second point is to take into account changes in the magnetic behavior (and ultimately torque) when they are subjected to a multiaxial stress state. The present study aims at exploring the influence of biaxial stress states on the magnetic behavior of the materials of the rotor. The challenge lies in the development of methods for the characterization of the magneto-mechanical dissipative uniaxial and multiaxial behavior of metal sheets developed by Aperam Alloy and used by Thales Avionics for their aeronautical applications (in FeCo-2V and non-oriented Fe-3%Si). Non conventional experiments are performed on cross-shaped samples in order to apply biaxial stress representative of the loadings experienced by rotors of rotating machines. These experiments are performed on a multiaxial testing machine, Astrée. Stress level is estimated thanks to digital image correlation and X-ray diffraction Both anhysteretic and dissipative magnetic responses to magneto-mechanical loadings have been recorded. On the other hand, a multi-scale multiaxial model describing the behavior of a RVE from the energy balance at the microscopic scale is presented. The approach is based on a comparison of the free energy of each domain. A probabilistic comparison is made to determine the volume fraction of domains used as internal variables. Different strategies for modeling the static dissipation are discussed. Then we present the chosen magneto-elastic approach, improving the description of the effect of stress on ferromagnetic materials behavior.