Ce travail concerne l'étude du comportement vis-à-vis de la corrosion de deux alliage d'aluminium : l'alliage 2024 (AA 2024 T351) et l'alliage 7075 (AA7075 T7351) et de l'aluminium pur, utilisé comme référence, dans une solution de Na2SO4 0,1 M à l'aide de mesures électrochimiques (courbes de polarisation, courbes de Levich et spectroscopie d'impédance) avec des électrodes à disque tournant. Comparativement aux travaux de la littérature, des données quantitatives sur les processus anodique et cathodique qui se produisent sur les deux alliages ont été obtenues. La première partie de la thèse est consacrée à la caractérisation microstructurale des deux alliages : taille, composition chimique des précipités et fraction surfacique occupée par les différentes phases. La seconde partie présente les résultats d'impédance obtenus au potentiel de corrosion pour différents temps d'immersion et différentes vitesses de rotation. A ce potentiel, le comportement des matériaux est essentiellement contrôlé par le film passif. Les diagrammes d'impédance présentent une dispersion en fréquence, exprimée en termes de « constant phase element (CPE) ». Ce comportement a été analysé à l'aide d'un modèle physique qui permet de montrer une distribution de résistivité dans l'épaisseur des films d'oxyde. Dans la dernière partie, une attention particulière a été portée à l'analyse de la réaction cathodique à la surface des deux alliages qui est à l'origine de leur dégradation importante. La réduction de l'oxygène se produit principalement sur les particules intermétalliques. De façon surprenante, la densité de courant cathodique est nettement plus faible pour l'alliage 7075 qui présente une plus grande surface couverte par les particules. Il a été montré que pour l'alliage 2024, la réaction cathodique est contrôlée par le transport de matière par diffusion convective sur de petites électrodes alors que pour l'alliage AA 7075, la majeure partie des particules, de très petite taille, se comporte comme des microélectrodes pour lesquelles le courant est fixé par la diffusion sphérique, indépendante de la convection. / This work concerns the study of behavior the corrosion of two aluminum alloy: the alloy 2024 (AA 2024 T351) and 7075 (AA7075 T7351) and pure aluminum, used as reference, in a solution of 0.1 M Na2SO4 using electrochemical measurements (polarization curves, curves Levich and impedance spectroscopy) with rotating disk electrodes. Compared to published studies, quantitative data on the anodic and cathodic processes occurring on the two alloys were obtained. The first part of the thesis is devoted to the microstructural characterization of two alloys: size, chemical composition of precipitates and surface fraction occupied by the different phases. The second part presents the results of impedance obtained at the corrosion potential for different immersion times and different speeds. At this potential, the behavior of materials is mainly controlled by the passive film. The impedance diagrams exhibit a frequency dispersion, expressed in terms of "constant stage element (CPE)." This behavior was analyzed using a physical model which allows to show a distribution of resistivity in the thickness of oxide films. In the last part, special attention was paid to the analysis of the cathodic reaction on the surface of the two alloys that is causing their degradation. The oxygen reduction occurs mainly on the intermetallic particles. Surprisingly, the cathode current density is significantly lower for the alloy 7075 which has a greater surface area covered by the particles. It was shown that for 2024 alloy, the cathodic reaction is controlled by material transport by convective diffusion of small electrodes, while for the alloy AA 7075, most of the particles, very small, behaves as microelectrodes for which the current is set by the spherical diffusion, independent of the convection.

Ce travail aborde trois problèmes fondamentaux liés au comportement mécanique de matériaux tissés. Dans une première partie, le modèle de Wang et Pipkin pour des tissés, décrits comme des réseaux de fibres inextensibles comportant une résistance au cisaillement et à la flexion, est généralisé en un modèle prenant en compte la résistance à la torsion des fibres. Une application au comportement d’une coque cylindrique constituée de fibres hélicoïdales est traitée. Dans une deuxième partie, nous analysons l’impact de la géométrie de l’armure du tissé sur les propriétés de symétrie de l’énergie de déformation. Pour des réseaux constitués de deux familles de fibres, quatre configurations distinctes d’armure existent, selon l’angle entre les fibres et les propriétés mécaniques des fibres. Les propriétés de symétrie de l’armure déterminent le groupe de symétrie matérielle du réseau, sous l’action duquel la densité d’énergie est invariante. Dans ce contexte, des représentations des énergies de déformation d’un tissé invariantes par le groupe de symétrie matérielle du réseau sont établies. La relation entre les invariants du groupe et la courbure des fibres est analysée. Dans une troisième partie, des modèles de textiles considérés comme des surfaces dotées d’une microstructure sont élaborés, à partir d’une modification des modèles classiques de coques de Cosserat, dans lesquels la microstructure décrit les ondulations des fils à l’échelle microscopique. A partir d’une représentation du fil comme un elastica d’Euler, une expression explicite de l’énergie élastique microscopique est obtenue, qui permet d’établir un modèle simple du comportement mécanique macroscopique de tissés / In this work, we discuss three basic problems related to the mechanical behavior of textile materials. First, we extend the model of Wang and Pipkin for textiles, described as networks of inextensible fibers with resistance to shear and bending, to a model in which resistance to twist of the individual fibers is taken into account, by including torsion contributions in the elastic stored energy. As an example, we study the behaviour of a cylindrical shell made of helical fibers. Second, we study how the geometry of the weave pattern affects the symmetry properties of the deformation energy of a woven fabric. For networks made by two families of fibers, four basic types of weave patterns are possible, depending on the angle between the fibers and on their material properties. The symmetry properties of the pattern determine the material symmetry group of the network, under which the stored energy is invariant. In this context, we derive representations for the deformation energy of a woven fabric that are invariant under the symmetry group of the network, and discuss the relation of the resulting group invariants with the curvature of the fibers. Third, we develop a model for textiles viewed as surfaces with microstructure, using a modification of the classical Cosserat model for shells, in which the microstructure accounts for the undulations of the threads at the microscopic scale. Describing the threads as Euler's elastica, we derive an explicit expression for the microscopic elastic energy that allows to set up a simple model for the macroscopic mechanical behavior of textiles

Afin de clarifier et caractériser les mécanismes fondamentaux de formation des réseaux étendus cellulaires et dendritiques en régime diffusif, des expériences de solidification dirigée permettant l’observation in situ en temps réel de l’interface solide-liquide d’un alliage transparent ont été réalisées dans l’instrument « DECLIC-DSI» à bord de la Station Spatiale Internationale. Des procédures spécifiques d'analyse d'images ont été développées pour caractériser les réseaux et extraire des données de référence à comparer aux modèles théoriques ou numériques. Les mécanismes d’évolution et de sélection de l'espacement primaire sont décrits et reliés à la courbure macroscopique de l'interface qui apparait comme un paramètre important de la dynamique de réseau. L’obtention de réseaux homogènes étendus nous a permis d'observer des instabilités secondaires du régime cellulaire pour la première fois dans des systèmes tridimensionnels: Oscillation et multiplet structure. Nos analyses mettent en évidence l'absence de cohérence globale de l’oscillation, exceptée dans des zones localement ordonnées dans lesquelles les oscillations de cellules voisines peuvent être synchronisées. Dans une autre gamme de paramètres de contrôle, la formation de multiplets -autre type d'instabilité secondaire- a été observée. La structure et la dynamique de ces multiplets est décrite. Enfin, des essais comparatifs ont été réalisés au sol, pour les mêmes paramètres de croissance, afin de clarifier l'influence de la convection. Les différences entre les expériences au sol et en microgravité, en particulier concernant l'espacement primaire, sont reliées à l'amplitude de la convection. / To clarify and characterize the fundamental physical mechanisms active in the formation of three-dimensional (3D) arrays of cells and dendrites, in situ monitoring of series of experiments on a transparent alloy was carried out under low gravity in the DECLIC-DSI on-board the International Space Station. Image analysis procedures have been developed to characterize the patterns and get benchmark data to compare with theoretical or numerical modelling. The mechanisms of primary spacing evolution and selection are described and related to the macroscopic interface curvature that appeared to be a critical parameter. The extended homogeneous patterns obtained in microgravity enabled us to observe secondary instabilities of the cellular pattern for the very first time in 3D patterns: cell oscillation and multiplet structure. Our analyses highlight the absence of global coherence of cell oscillations, except in locally ordered areas where synchronization of neighbor cells may happen. In another range of control parameters, another type of secondary instability has been identified that corresponds to multiplet formation; the structure and dynamics of those multiplets are also described. Finally, comparative experiments have been performed on ground with similar growth parameters to point out the influence of convection. The differences between ground and microgravity results, especially regarding the primary spacing, are related to fluid flow magnitude.

Le développement de l’énergie nucléaire durant les dernières années nécessite de trouver des solutions pour le stockage et le confinement des déchets radioactifs. Une solution envisagée est l’enfouissement dans les formations argileuses peu perméables comme les argilites. Dans cette perspective, l’Andra a mis l’accent sur l’étude du comportement à court et à long terme de l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx), considérée comme une roche hôte potentielle en France. Dans le cadre de ce projet, une étude expérimentale microscopique et macroscopique sur le comportement thermo-hydro-mécanique de l’argilite du COx a été réalisée. Dans un premier temps, une investigation microstructurale des propriétés de rétention d’eau a été réalisée. L’étude de la courbe de rétention d’eau déterminée par la technique de contrôle de succion par phase vapeur et incluant les changements de volume et de degré de saturation en fonction de la succion le long des chemins de séchage et humidification a été complétée par une étude microstructurale basées sur des mesures porosimétriques par intrusion de mercure sur éprouvettes lyophilisées. On observe que les concepts régissant l’hydratation des smectites peuvent être utilisés pour une meilleure compréhension des effets de changement de teneur en eau sur la microstructure de l’argilite. Le comportement en compression-gonflement avec un aspect microstructural a été étudié par la réalisation d’un programme d’essai oedométriques haute pression et l’utilisation conjointe de la porosimétrie au mercure et le microscope électronique à balayage. Les résultats obtenus ont montré que le potentiel du gonflement était lié à la densité de fissuration engendrée lors de la compression. Le comportement thermo-mécanique de l’argilite du COx saturée a été étudié à partir d’essais de cisaillement et de chauffage en condition drainée réalisés à l’aide d’une cellule triaxiale cylindre creux à faible chemin de drainage. Les essais de cisaillement à 25°Cmontrent des résistances au cisaillement plus faible pour des éprouvettes de plus forte porosité. Les essais triaxiaux à 80°C montrent un comportement plus ductile, une résistance au cisaillement moins importante et pas d’effet significatif sur les paramètres élastiques de l’argilite. L’analyse des résultats des essais de chauffage drainée confirme un comportement plastique contractant, similaire aux argiles normalement consolidées, pour l’argilite du COx. La possibilité de réactivation d’un plan de cisaillement lors d’un essai de chauffage non drainé d’un échantillon de l’argilite du COx est mise en évidence. Les résultats obtenus montrent que la pressurisation thermique du fluide interstitiel peut, du fait du relâchement de contrainte induit, réactiver une fissure de cisaillement existante. Les propriétés d’auto-colmatage de l’argilite du Callovo-Oxfordien, dans une gamme de température de 25-80°C, ont été étudiées par la réalisation d’essais de perméabilité sur un échantillon endommagé par un chargement déviatorique. Les résultats montrent que la présence des plans de cisaillement n’affecte pas la perméabilité, ce qui confirme la bonne capacité d’auto-colmatage de l’argilite du COx / The development of nuclear energy in recent years requires safe solutions for the storage of radioactive waste. A solution proposed for high activity radioactive waste is the storage indeep low permeability geological formations such as claystones. In this perspective, Andra, the French agency for the management of radioactive wastes, supported investigations on theshort and long term behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) claystone, considered as apotential host rock in France. In this framework, a microscopic and macroscopic experimental study on the thermo-hydro-mechanical behaviour of COx claystone was carried out. In this work, a microstructure investigation of the water retention properties of the Cox claystone was performed. The water retention properties were determined by controlling suction through the vapour phase, with also the monitoring of volume changes and changes indegree of saturation as a function of suction along the drying and wetting paths. The study was completed by a microstructure investigation based on the use of mercury intrusion porosimetry on freeze-dried specimens. It was observed that the concepts governing the hydration of smectites appeared useful to better understand the effects of changes in water content and suction on the microstructure of COx claystone. In a second step, the compression-swelling behaviour of the COx claystone was related to micro structure features by performing high pressure oedometer compression tests and byrunning mercury intrusion porosimetry tests and scanning electron microscope observationson specimens submitted to compression and stress release. The results obtained showed that the potential of swelling was linked to the density of cracks generated during compression. The thermo-mechanical behaviour of fully saturated COx claystone specimens was investigated from shear and drained heating tests using a hollow cylinder triaxial device specially developed for low permeability materials. The shear tests at 25°C evidenced lowershear strength on specimens with higher porosity. The preliminary results obtained at 80°Cevidenced a more ductile response, with slightly smaller shear strength and little changes of the elastic parameters at elevated temperature. Drained isotropic heating tests confirmed thecontracting volumetric plastic behaviour of the COx argillite, similar to normally consolidated clays. The effect of thermal pressurisation of the pore water on a specimen with a pre-existingshear plan was investigated. The results showed that undrained heating under shear stress decreased the effective stress, bringing back the sheared specimen to failure. The self-sealing properties of COx claystone at 25 and 80°C were investigated by conducting steady state permeability tests on sheared specimens at various stages. The results showed that the overall permeability of the sheared specimen at 25 and 80°C was comparable to that before shearing, confirming the good self-sealing properties of COx claystone

Le domaine automobile utilise des alliages légers d’aluminium dans la fabrication des pièces volumineuses du moteur thermique afin d’améliorer son rendement énergétique. Cependant, leurs propriétés sont insuffisantes pour pouvoir faire face aux contraintes thermomécaniques du moteur en service qui requièrent des matériaux à haute performance. Une solution innovante est l’application d’un revêtement par projection par gaz froid dite « cold spray » à base d’acier inoxydable AISI 316L aux dimensions et aux propriétés adaptées aux sollicitations locales. Ce procédé repose sur la projection à haute vitesse de particules de poudre sur un substrat, qui, déformées en « splats » à l’impact, adhérent pour créer un revêtement. Cette étude a pour ambition de comprendre les mécanismes d’endommagement thermomécanique de revêtements cold spray composites à base de 316L. Pour cela, les étapes de l’élaboration des revêtements, les paramètres de projection et les poudres de l’étude sont détaillés. Des revêtements de 316L pur sont réalisés ainsi que des analyses microstructurales par microscopie optique, MEB, chimiques par EDX et cristallographiques par EBSD et DRX, afin d’étudier l’influence du procédé cold spray sur la poudre initiale. Les interfaces entre les splats, constituants majeurs dans la cohésion des revêtements, sont étudiées en détail au MET. Puis, des éléments d’addition moins durs de cuivre et plus durs d’alliage de nickel Tribaloy 700 (Ni700), sont incorporés dans les mélanges de poudres avec l’acier afin de créer des revêtements composites. La modification de la microstructure et de la qualité des interfaces par la création de matériaux composites est alors abordée. Enfin, ces matériaux sont éprouvés et comparés grâce à des essais quasi statiques de dureté et de traction, et dynamiques d’impact-glissement. Les résultats et les observations locales de la réponse de la microstructure à ces sollicitations macroscopiques permettront d’envisager les mécanismes d’endommagement de ces revêtements cold spray. / Aluminum alloys are commonly used in the automotive industry for lightening and power gain of thermal engines. However, thermomechanical properties are not often high enough to undergo the in-service stresses while the engine is running. High performance materials are needed. A novel approach to reach these high performances is to develop specific coatings using the cold spray route. This thermal spray process is based on the plastic deformation of sprayed powders at a supersonic velocity onto a substrate resulting in so called « splats » and stick to the surface. In this thesis, thermomechanical damage of cold-sprayed 316L-matrix composite coatings are studied. Prior to the study of composites, the elaboration steps of 316L in the cold spray coatings are established. Powder and coatings are studied to determine the influence of the cold spray process. Microstructural analyse involved optical microscopy, SEM, chemical analysis EDX and image analysis. Cristallographic analyse were performed by EBSD and DRX. Interfaces between splats are specifically studies by TEM. These consist of a crucial actor in the cohesion of coatings. Then, softer powder of Cu and harder powder of Ni700 are mixed with 316L and cold sprayed to build composite coatings. Their influence on the microstructure through the creation of new interfaces is observed. Last but not least, mechanical properties of the different coatings are compared. Hardness and tensile tests are used for quasi-static loading characterization whereas impact-sliding tests are used for dynamic loading characterization. Results and the local observation of the microstructural response to these macroscopic loadings give an insight into major damage mechanisms of cold sprayed composite coatings.

Dans les alliages multiphasés, la cohérence des interfaces entre des phases en désaccord paramétrique génère des champs élastiques internes à longue distance et généralement anisotropes. L'interaction de ces champs affecte fortement la cinétique des transformations de phase diffusives, et influence la forme et l'arrangement spatial des précipités. Dans la microstructure des superalliages monocristallins à base de nickel, obtenue par précipitation de la phase γ’ ordonnée L12 dans la matrice CFC γ, l'élasticité conduit à la formation d'alignements quasi-périodiques des précipités γ’ cuboïdaux. La microstructure γ/ γ’ possède cependant des défauts systématiques d'alignement des précipités: des branches, des macro-dislocations et des motifs en chevrons. Nous nous intéressons à l'origine de ces défauts d'alignement. Nous conduisons des analyses de stabilité de l'arrangement périodique de précipités en interactions élastiques. Contrairement à la stabilité attendue, les calculs semi-analytiques ont révélé l'instabilité de la distribution périodique de précipités γ’ cubiques, vis-à-vis de certains modes de perturbation. Les principales instabilités sont le mode longitudinal [100] et le mode transverse [110], et leur domaine d'instabilité est analysé vis-à-vis de l'anisotropie élastique. Le développement de ces modes instables est étudié par une méthode de champ de phase classique, en simulant l'évolution de microstructures périodiques soumises à des légères perturbations initiales. Nous montrons que l'expression des instabilités d'arrangement procède essentiellement par l'évolution de la forme des précipités, et conduit à la formation de motifs qui ont pu être reliés à des microstructures expérimentales. En particulier, le mode transverse [110] conduit à la formation de motifs en chevrons. Nous étudions l'influence du taux de phase γ’ et de l'inhomogénéité du module élastique C’, et nous montrons le rôle qu'ils jouent dans la stabilisation de l'arrangement périodique. Dans des simulations réalisées dans des études antérieures, la dynamique des défauts est analysée au moyen de paramètres topologiques issus de la phénoménologie des structures hors-équilibre. Au cours d'un recuit isotherme, nous observons que les branches et les macro-dislocations migrent dans la microstructure selon des mécanismes de montée et de glissement. Nous utilisons ensuite une nouvelle formulation des modèles de champ de phase, intrinsèquement discrète, dans laquelle les interfaces sont résolues essentiellement avec un pas de grille sans friction de réseau et avec une invariance par rotation précise. Cette approche, appelée Sharp Phase Field Method (S-PFM), est implémentée sur une grille CFC, et avec une description des quatre variants de translation des précipités γ’. Nous montrons que la S-PFM permet la modélisation de microstructures à grande échelle, avec plusieurs milliers de précipités à deux et trois dimensions, et donne ainsi accès à des informations statistiques sur l'évolution de la microstructure et sur la dynamique des défauts d'alignement. Nous discutons finalement la perspective de modéliser l'évolution de la microstructure γ/γ’ à une échelle supérieure par une description de la dynamique des défauts d'alignement des précipités. / In multiphase alloys, internal elastic fields often arise as a result of a coherently adjusted misfit between the lattices of coexisting phases. Given their long-range and usually anisotropic nature, the interaction of these fields is known to significantly alter the kinetics of diffusion-controlled phase transformations, as well as influence the shapes and spatial arrangement of the misfitting precipitates. In the microstructure of single-crystal nickel-base superalloys, obtained by precipitation of the L12-ordered γ’ phase in the FCC γ matrix, elasticity leads to the formation of nearly periodic alignments of the cuboidal γ’ precipitates. However, the γ/γ’ microstructure systematically displays defects in the precipitate alignment: branches, macro-dislocations and chevron patterns. We first address the question of the origin of these alignment defects. Stability analyses of the periodic arrangement of elastically interacting precipitates are carried out. Contrary to the expected stability, the semi-analytical calculations revealed the periodic distribution of cubic γ‘ precipitates to be unstable against specific perturbation modes. The main instabilities are the [100] longitudinal mode and the [110] transverse mode, and their instability range is analyzed with respect to the elastic anisotropy. The consequences of these unstable modes are investigated using a classic phase field method, by modeling the evolution of periodic microstructures undergoing small initial perturbations. We show the expression of the instabilities mainly proceeds by the evolution of the precipitate shapes, and leads to the formation of patterns which were related to experimental microstructures. Specifically, the [110] transverse instability is responsible for the formation of chevron patterns. The effects of the volume fraction and of an inhomogeneity on the C’ shear modulus on the stability of the arrangement are studied, and we show the role they play in the partial stabilization of the periodic distribution, though the [100] longitudinal mode always remains unstable. In phase field calculations carried out in previous studies, the dynamics of alignment defects are analyzed by means of topological parameters derived from pattern formation theory. During annealing, branches and macro-dislocations were observed to migrate in the microstructure according to climbing and gliding mechanisms. We then use a new formulation of phase field models, intrinsically discrete, in which the interfaces are resolved with essentially one grid point with no pinning on the grid and an accurate rotational invariance. This approach, known as the Sharp Phase Field Method (S-PFM), is implemented on a FCC grid and accounts for the four translational variants of the γ’ precipitates. We show that the S-PFM allows for the modeling of large-scale microstructures, with several thousand precipitates both in two and three dimensions, and provides access to statistical information on the microstructure evolution and on the the dynamics of alignment defects. We finally discuss the perspective of modeling the evolution of the γ/γ’ microstructure at the macroscale by means of a description of the defect dynamics in the precipitate alignments.

Cette étude vise à i) déterminer le trajet de fissuration et la vitesse de propagation de fissure de fatigue dans un joint soudé sollicité en mode mixte ii) de proposer une analyse des interactions fissuration par fatigue/microstructure pour deux classes d'alliages soudés et iii) de proposer des critères de propagation de fissure, basé sur l'analyse des facteurs d'intensité de contrainte (FIC) pour les trois modes de fissuration.Les essais ont été réalisés pour un acier ferritique inoxydable, K41X soudé par gaz inerte, sur des éprouvettes à entaille centrale sous sollicitation uniaxiale pour différentes orientations d'entaille. Pour un assemblage bi-matériaux d'alliages de titane, obtenu par soudure laser de Ti17 et de Ti6242, les essais ont été effectués en condition biaxiale coplanaire sur une éprouvette en croix à entaille centrale à différents taux de cisaillement macroscopique.Pour l'acier, la fissure se propage en mode mixte trans- et intergranulaire dans le métal de base, et en mode transgranulaire uniquement dans la zone fondue (ZF). Néanmoins, c'est seulement en présence de cisaillement macroscopique induit par la géométrie d'entaille que la soudure a conduit à une accélération de la vitesse de fissure par rapport au métal de base. Pour Ti17 le chemin de propagation de fissure et la vitesse de propagation sont très réguliers alors qu'ils sont extrêmement oscillants pour Ti6242, car corrélés aux aiguilles α. La vitesse de fissuration est plus faible dans Ti6242 que dans Ti17 pour une sollicitation d'équibitraction, alors qu'elle est plus élevée dans Ti6242 que dans Ti17 pour un cisaillement macroscopique. Pour les éprouvettes soudées Ti17-Ti6242, le chemin de propagation est relativement régulier dans la ZF mais peut être piloté par l'interface zone affectée thermiquement (ZAT)/ZF. La vitesse est plus élevée dans la ZF que pour les deux métaux de base, alors qu'elle n'est que peu modifiée dans les ZAT.La régularité de la propagation de fissure dans Ti17 a permis d'utiliser ce cas comme un cas de référence dans le cadre de la mécanique linéaire de la rupture et ainsi proposer un critère de ∆Keq fonction des modes de sollicitations I, II et III. Ces résultats ont été obtenus en modélisant le chemin de fissure en surface et le déversement de fissure. L'analyse comparative des propriétés des différents matériaux testés a été menée dans ce cadre. Une analyse de sensibilité à la précision de la modélisation tridimensionnelle de la géométrie de fissure met en évidence le rôle prépondérant de celle-ci sur l'estimation des FIC en mode III et par conséquent sur la valeur de ∆Keq. Cette analyse permet d'expliquer les oscillations de vitesse constatées pour l'alliage Ti6242. / This study is devoted to i) the experimental characterization of fatigue crack path and fatigue crack growth rate (FCGR) for welded materials under mixed mode of loading ii) the analysis of fatigue crack to microstructure interactions for two types of welded materials and iii) the identification of a relevant FCGR criterion function of the mode mixity.The experimental characterization was achieved for a ferritic stainless steel, welded by metal inert gas, using CCT specimens for different orientations of the notch. Biaxial testing was achieved using central crack cross-shaped specimen, varying the shear to opening loading ratio, for a dissimilar welded joint obtained by laser welding of Ti17 and Ti6242 Ti base alloys.For the ferritic stainless steel, the crack is both trans- and intergranular for the base metal, whereas it becomes mainly transgranular for the welded specimen. Nevertheless, very slight modification of the FCGR, comparing base metal and welded material, is observed. The welding was seen to be detrimental only in the case of macroscopic shear loading implied by the geometry of the notch. For Ti17, crack path is very smooth and FCGR evolves regularly as a function of the stress intensity factor (SIF). Instead of what, for Ti6242 alloy, both the crack path and the FCGR present large amplitudes of oscillation, due to a strong interaction with alpha needles. The FCGR is lower in Ti6242 than in Ti17 for equibiaxial fatigue, whereas the FCGR is higher in Ti6242 than in Ti17 for macroscopic shear fatigue loading. For welded Ti17-Ti6242 specimens, FCGR is higher than observed in base metal for crack within the fusion zone (FZ), and tends to the FCGR of the associated base metal to each heat-affected zone (HAZ-Ti17 and HAZ-Ti6242).The case of Ti17 was seen to be relevant to determine an equivalent SIF function of mode mixity within the scope of LEFM. An original criterion has been established taking into consideration mode I, II and III. The numerical model describes explicitly both surface crack path and flat to slant orientation of the crack. This criterion has been successfully applied to both Ti and Fe base alloys, for base metal as well as for welded materials in order to determine the impact of welding on FCGR. At last but not least, the sensitivity of SIF values to the accuracy of the 3D modelling of the crack surface has been tested. Thus the local roughness of the crack path is seen to drastically impact the out-of-plane shear mode, which is in turn fully consistent with acceleration/deceleration of the crack observed for Ti6242 alloy.

Lors d’un scénario hypothétique d’Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), les gainages combustibles en alliage de zirconium subissent des sollicitations thermomécaniques sévères dans des environnements chimiques très oxydants. L’évolution des conditions de pression et de température ainsi que la présence du fluide réfrigérant peuvent entraîner dans un premier temps le ballonnement-éclatement puis l’oxydation sous vapeur et la prise d’hydrogène à haute température ainsi que des chargements mécaniques axiaux lors du renoyage final.L’objectif de la thèse est d’identifier les mécanismes et les paramètres clés qui gouvernent la rupture lors de la phase de renoyage sous traction. Des essais semi-intégraux, visant à reproduire un scénario APRP sur des tronçons de gaines de Zircaloy−4, ont été réalisés afin d’étudier le comportement de ce matériau dans de telles conditions.Un seuil fonction de la durée d’oxydation à haute température, à partir duquel la gaine rompt lors du renoyage, est mis en évidence. Deux lieux de rupture sont identifiés : la zone ballonnée où l’oxydation est maximale et la prise d’hydrogène nulle, ainsi que la zone dite « d’hydruration secondaire », sous la zone ballonnée, où la prise d’hydrogène est conséquente et l’oxydation moindre. Par ailleurs, un scénario de la rupture par rapport à la chronologie du renoyage a été établi.Cependant, le traitement macroscopique de ces essais ne permet pas de discriminer ces deux lieux de rupture, car la rupture intervient indépendamment dans le ballon et hors zone ballonnée en fonction du transitoire appliqué et de la morphologie du ballonnement-éclatement. Une approche locale a été mise en place, à partir de la caractérisation microstructurale et fractographique systématique des éprouvettes d’essai, afin d’établir un critère de rupture dépendant de l’état du matériau.La distribution complexe des éléments chimiques et des phases dans l’épaisseur de la gaine a été déterminée. Les changements de phase dans le ballon fortement oxydé, menant à une microstructure globalement fragile, ont été explicités. Une loi de seuil à rupture, en zone d’hydruration secondaire, a été identifiée à l’aide des mesures d’épaisseurs de phases et du profil de teneur en hydrogène. / During hypothetical Loss-Of-Coolant-Accident (LOCA) scenarios, zirconium alloy fuel cladding tubes are subjected to severe thermo- mechanical loading conditions in highly oxidising chemical environments. Pressure and temperature evolution together with cooling water can lead to ballooning and burst followed by steam oxidation and hydrogen uptake at high temperature, and then axial loading during the final reflooding stage.This study focuses on the identification of mechanisms and key parameters which drive cladding fracture during the reflooding stage under axial tensile load.Laboratory-scale semi-integral tests simulating LOCA transients on Zircaloy−4 test rods have been realised. A fracture/no-fracture threshold of oxidation duration at high temperature has been determined. Two fracture locations have been identified: i) the burst zone with maximal oxidation and no hydrogen uptake, and ii) the “secondary hydriding” zone below the burst zone, with substantial hydrogen absorption and lower oxidation levels. Moreover, a scenario of fracture as a function of the reflooding chronology has been identified. Nevertheless, the macroscopic treatment of these tests has not permitted to discriminate these two fracture locations because fracture independently occurs in and out of the burst zone, whatever the applied transient and the balloon and burst morphologies.From systematic microstructural and fractographic characterisation of test specimens, a local approach aiming at identifying a fracture threshold as a function of the microstructural state of the material has been applied. The complex distribution of chemical elements and phases across the cladding thickness has been determined. Phase transformations in the highly-oxidised balloon, leading to a globally brittle microstructure have been explicated. In the secondary hydriding zone, a fracture threshold criterion has been identified by means of layer thickness measurements and hydrogen uptake profile.

Les fils composites nanostructurés et architecturés cuivre-niobium sont de candidats excellents pour la génération de champs magnétiques intenses (>90T); en effet, ces fils allient une limite élastique élevée et une excellente conductivité électrique. Les fils Cu-Nb multi-échelles sont fabriqués par étirage et empaquetage cumulatif (une technique de déformation plastique sévère), conduisant à une microstructure multi-échelle, architecturée et nanostructurée présentant une texture cristallographique de fibres forte et des formes de grains allongées le long de l'axe du fil. Cette thèse présente une étude compréhensive du comportement électrique et élasto-plastique de ce matériau composite, elle est divisée en trois parties: modélisation multi-échelle électrique, élastique et élasto-plastique. Afin d'étudier le lien entre le comportement effective et la microstructure du fil, plusieurs méthodes d'homogénéisation sont appliquées, qui peuvent être séparées en deux types principaux: la méthode en champs moyens et en champs complets. Comme les spécimens présentent plusieurs échelles caractéristiques, plusieurs étapes de transition d'échelle sont effectuées itérativement de l'échelle de grain à la macro-échelle. L'accord général parmi les réponses de modèle permet de suggérer la meilleure stratégie pour estimer de manière fiable le comportement électrique et élasto-plastique des fils Cu-Nb et économiser le temps de calcul. Enfin, les modèles électriques prouvent bien prédire les données expérimentales anisotopique. De plus, les modèles mécaniques sont aussi validés par les données expérimentales ex-situ et in-situ de diffraction des rayons X/neutrons avec un bon accord. / Nanostructured and architectured copper niobium composite wires are excellent candidates for the generation of intense pulsed magnetic fields (>90T) as they combine both high strength and high electrical conductivity. Multi-scaled Cu-Nb wires are fabricated by accumulative drawing and bundling (a severe plastic deformation technique), leading to a multiscale, architectured and nanostructured microstructure exhibiting a strong fiber crystallographic texture and elongated grain shapes along the wire axis. This thesis presents a comprehensive study of the effective electrical and elasto-plastic behavior of this composite material. It is divided into three parts: electrical, elastic and elasto-plastic multiscale modeling. In order to investigate the link between the effective material behavior and the wire microstructure, several homogenization methods are applied which can be separated into two main types: mean-field and full-field theories. As the specimens exhibit many characteristic scales, several scale transition steps are carried out iteratively from the grain scale to the macro-scale. The general agreement among the model responses allows suggesting the best strategy to estimate reliably the effective electrical and elasto-plastic behavior of Cu-Nb wires and save computational time. The electrical models are demonstrated to predict accurately the anisotropic experimental data. Moreover, the mechanical models are also validated by the available ex-situ and in-situ X-ray/neutron diffraction experimental data with a good agreement.

Pour répondre à la demande croissante d’allègement des véhicules automobiles, les aciéristes développent une nouvelle gamme d’aciers à Très Haute Résistance (THR), dite de troisième génération. Cette thèse, inscrite dans le projet ANR MATETPRO « MeMnAl Steels », s’intéresse plus particulièrement à deux nouvelles familles d’aciers THR Fe-C-Mn-Al, produites par ArcelorMittal et potentielles candidates pour la caisse en blanc des futurs véhicules. Elle vise à mieux cerner les paramètres microstructuraux permettant de contrôler et optimiser le comportement à rupture de ces aciers.Pour représenter les deux familles d’aciers, deux matériaux modèles ont été élaborés par laminage puis recuit intercritique, conduisant à une microstructure duplex : austénite retenue (γr, pouvant se transformer en martensite par effet TRIP) et ferrite. La microstructure du premier acier, dite UFG, est ultrafine (grains de taille inférieure au micromètre) tandis que celle du second est bimodale, mêlant gros grains de ferrite δ et régions à grains fins de ferrite α et d’austénite retenue γr.Les propriétés mécaniques de la microstructure UFG dépendent fortement de la température de recuit, en raison des variations de stabilité de l’austénite retenue. A l’inverse, la microstructure bimodale est très robuste vis-à-vis de la température de recuit mais très sensible à la température d’essai. L’endommagement en traction et en résilience est très peu développé pour ces deux familles. Il est localisé aux interfaces ferrite-martensite (formée pendant l’essai). Le lien entre les modes de rupture et la microstructure bimodale, étudié à l’aide d’essais Charpy, a montré l’existence de deux transitions distinctes de mode de rupture : une transition entre rupture ductile à grandes cupules et clivage pour les gros grains de ferrite δ et une transition entre rupture interfaciale et rupture ductile à fines cupules pour les zones à grains fins {α + γr}. La rupture de la microstructure UFG est ductile à température ambiante et interfaciale à plus basse température. Cette microstructure UFG peut être vue comme un matériau modèle représentant les régions à grains fins {α + γr} de la microstructure bimodale.Pour les deux familles d’aciers, le comportement élastoplastique comme le comportement à rupture semblent dominés par la stabilité de l’austénite retenue. / To fulfil the increasing demand on lightweighting automotive vehicles, steelmakers are developing a third generation of Advanced High Strength Steels (AHSS). This work, part of the ANR project MATETPRO “MeMnAl Steels”, addressed two new families of third generation AHSS produced by ArcelorMittal which may be used for the body in white of upcoming cars. It aimed at improving our current understanding of the microstructural features allowing controlling and optimizing the fracture behavior of this steel family.Two model materials were manufactured by hot and cold rolling followed by intercritical annealing. The resulting, so-called duplex microstructure is a mixture of ferrite and retained austenite (γr, which can transform into martensite by TRIP effect). The microstructure of the first steel was made of ultra-fine grains (UFG) of ferrite and retained austenite (grain size below one micrometer), while the second steel possessed a bimodal microstructure made of coarse δ-ferrite grains and fine-grained regions of α-ferrite and retained austenite γr.The mechanical properties of the UFG microstructure were strongly sensitive to the annealing temperature, due to variations in the stability of retained austenite. On the contrary, the bimodal microstructure was very robust regarding the annealing temperature but very sensitive to the test temperature. For these two families, damage development is scarce and mainly located at ferrite-martensite interfaces. Charpy impact tests on steels with the bimodal microstructure showed that each microstructural region presents its own fracture mechanisms and a specific ductile-to-brittle transition. A transition from brittle cleavage to large-dimpled, ductile fracture was observed for coarse δ-ferrite grains, while fined-grained regions presented a transition from interfacial fracture to fine-dimpled, ductile fracture. Fracture of the UFG microstructure was ductile at room temperature and interfacial at lower temperatures. This UFG microstructure can be interpreted as a model material embodying the behavior of the fine-grained {α + γr} regions in the bimodal microstructure.For both two steels, the constitutive and fracture behavior seem to be dominated by the stability of retained austenite.