Les propriétés mécaniques des matériaux à structure cristalline hexagonale présentent actuellement un intérêt pour des applications techniques ainsi que pour la recherche académique. Ce travail s’articule autour du cas de magnésium utilisé notamment en aéronautique pour sa légèreté. Cependant, du fait du nombre restreint de symétries de leur structure cristalline, ces matériaux peuvent présenter certaines « difficultés » de mise en forme. La mise en forme impose la plupart de temps de grandes déformations au matériau, c’est pourquoi il est primordial d’y connaître son comportement. De grandes déformations plastiques impliquent le développement d’une anisotropie plastique qui peut être particulièrement forte dans les polycristaux hexagonaux. Ce travail propose en premier lieu les bases de compréhension et une revue de littérature sur la plasticité des matériaux hexagonaux. Le rôle de la sensibilité à la vitesse de déformation sur la plasticité des matériaux à structures hexagonales est ensuite discuté. Les orientations idéales de texture et leurs caractéristiques de persistance dans les cristaux hexagonaux en cisaillement simple sont déterminées. Une analyse de l’évolution de texture dans le magnésium durant une extrusion angulaire à section constante est ensuite effectuée. Puis l’évolution de texture et le comportement mécanique du magnésium en torsion est analysé. Finalement, une modélisation de la déformation en extrusion angulaire à section constante par une ligne de courant générale est proposée / The properties of materials with hexagonal crystalline structure are currently of interest for technical applications and for academic research. This work is articulated around the case of magnesium used in particular in aeronautics for its lightness. However, because of the restricted number of symmetries of the hexagonal crystal structure, these materials can present certain “difficulties” of forming. Forming usually imposes large deformations on the material; this is why it is of primary importance to know its behavior. Large plastic deformations imply the development of a plastic anisotropy which can be particularly strong in hexagonal polycrystals. This work initially shows the bases of comprehension and a review of literature on the plasticity of hexagonal materials. Then the role of strain‐rate sensitivity in the crystal plasticity of materials with hexagonal structures is discussed. The ideal orientations of texture and their characteristics of persistence of hexagonal closed‐packed crystals in simple shearing are identified. Then an analysis of texture evolution in magnesium during equal angular extrusion is carried out. The texture and mechanical behavior of magnesium during free end torsion are also analyzed. Finally, a modeling of the deformation during equal channel angular extrusion by a general flow function is proposed

Cette thèse a pour but de modéliser un critère de perte de ductilité. Pour cela, ce travail a été fait en trois étapes. Dans un premier temps, le comportement à l'échelle locale (qui est celle d'un grain ou d'un monocristal) est modélisé par une loi micromécanique écrite dans le cadre des grandes déformations. L'écrouissage étant quant à lui pris en compte par une matrice dont la variable interne est la densité de dislocations moyenne par système de glissement. Cette modélisation est apte à reproduire le comportement de monocristaux de ferrite ou d'alliage fer-silicium pour des trajets simples et complexes. Dans un deuxième temps la transition d'échelles entre le comportement local et celui d'un agrégat polycristallin est réalisée grâce au schéma autochérent au sens de Hill. A cette étape il es montré que la modélisation adoptée est capable de prédire le comportement pour des aciers monophasés, biphasés et monphasés contenant des précipités pour des trajets simples et complexes. De plus, le modèle donne aussi de bons résultats dans le calcul de coefficient de Lankford et des surfaces de charge ainsi que pour la prédiction de l'évolution des textures. La troisème étape consiste à introduire un critère de perte de ductilité basé sur la perte d'ellipticité du module tangent élastoplasique, c'est le critère de Rice. Ce critère est ensuite utilisé pour tracer des courbes limite de formage et il est montré que de bons résultats sont obtenus.

Après avoir modélisé les hétérogéniétés intra et intergranulaires se produisant lors de grandes déformations à l'aide d'une loi de comportement micro-mécanique basée sur les dislocations, une évaluation de l'énergie stockée au sein du polycristal a été effectuée. Un modèle de cinétique des joints de grains déduit de la méthode de champ de phase a été implémenté en éléments finis.

Cette thèse présente la mise en place d'une méthodologie pour un dialogue multi-échelle entre la caractérisation microstructurale, consistant en une étude de la morphologie et de la texture cristallographique du matériau, et celle des champs mécaniques associés, notamment de déformation. Cette méthode est basée sur un couplage entre la caractérisation expérimentale de la microstructure, des essais mécaniques macroscopiques, des mesures de champs de déformation déterminées à l'échelle intragranulaire, et des simulations numériques par éléments finis. Enfin une définition d'une fonction coût est proposée dans le but d'optimiser les paramètres de la loi de comportement cristallographique retenue. <br /><br />Cette méthode a été appliquée à l'étude des alliages de zirconium dans le but d'améliorer la compréhension de leur comportement mécanique en relation avec leur microstructure. Compréhension qui est un point clef de leur utilisation dans le domaine de l'industrie nucléaire. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du CPR SMIRN, regroupant des laboratoires du CNRS, du CEA et d'EDF.

La prédiction du clivage des aciers ferritiques a été largement étudiée à l’aide de l’approchelocale de la rupture, et des modèles macroscopiques identifiés phénoménologiquement comme celui de Beremin. Cette prédiction reste cependant difficile dans le domaine de transition ductilefragile. Cela a conduit à des études micromécaniques par les approches polycristallines afin de décrire l’évolution de la contrainte de clivage en fonction de la température pour les aciers bainitiques. Dans cette étude, on utilise une approche polycristalline, puis on développe un modèle macroscopique de prédiction du clivage d’un acier de microstructure plus simple, un acier sphéroïdisé. De nombreux résultats de la littérature indiquent que leur rupture est due à la microfissuration des carbures. Le comportement mécanique et la rupture d'un acier sphéroïdisé C35R sont obtenus par des essais de traction simple et de ténacité dans une gamme de température entre -196 et 20°C. Les analyses microstructurales sont effectuées pour déterminer la distribution de taille des grains et des carbures. Des modélisations simplifiées de la microstructure de l’acier sont proposées. L’aspect polycristallin du matériau est pris en compte. Une étude paramétrique concernant la distribution des contraintes dans les carbures est réalisée. On montre que les paramètres du modèle polycristallin n’influencent pas cette distribution à la condition de représenter le même comportement global en traction. La prédiction de la rupture par clivage est basée sur une approche probabiliste, considérant la dispersion des contraintes dans les carbures due à l'hétérogénéité des champs mécaniques issue de la modélisation polycristalline. La probabilité élémentaire de rupture des carbures est ainsi obtenue. Différents modèles de rupture macroscopiques sont alors développés, basés sur des critères en germination et propagation des microfissures. Ils sont appliqués à une éprouvette SENT afin de prédire la ténacité dans le bas de la transition ductile-fragile. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que l’on doit prendre en compte l’évolution de la densité volumique des microfissures avec le chargement, l’extension des microfissures de taille variable ou leur émoussement. L’importance des différents critères dépend de la température. / The cleavage fracture prediction of the ferritic steels has been widely studied using the localapproach to fracture and macroscopic phenomenological models like Beremin. This prediction remains difficult in the ductile-brittle transition domain. Therefore, micromechanical studies have been carried out using polycrystalline approaches to describe the evolution of the cleavage stress in function of temperature for the bainitic steels. In this study, a macroscopic model using a polycrystalline approach is developed to predict the cleavage of one steel with a simple microstructure: a spheroidized steel. Many results in the literature indicate that its fracture is due to carbide microcracking. The mechanical and fracture behavior of a spheroidized steel C35R are obtained by tensile and toughness tests in a temperature range between -196°C and 20°C. The microstructural analyses are performed to determine the grain and carbide size distribution. Simplified microstructure models of the steel are proposed. The polycrystalline aspect of the material is taken into account. A parametric study on the carbide stress distribution is carried out. It is shown that the parameters of the polycrystalline model do not influence the carbide stress distribution if the same global tensile behavior is represented. The cleavage fracture prediction is based on the probabilistic approach, considering the stress scatter in the carbides due to the mechanical fields’ heterogeneity related to the polycrystalline modelling. Thus, the elementary fracture probability function is obtained. Different macroscopic fracture models are then developed based on the criteria based on nucleation and propagation of microcracks. The models are applied to a SENT specimen to predict the toughness in the bottom of the ductile-brittle transition domain. The comparison with experimental results shows that the evolution of the microcracks volume density with the loading, the extension of the microcracks with various sizes or their blunting, must be taken into account. The importance of the different criterions depends on the temperature.

Les chargements thermomécaniques cycliques conduisent à l'apparition de fissures courtes de fatigue dont la phase d'amorçage est prépondérante par rapport à la durée de vie totale du composant. Les mécanismes liés à l'évolution de ces fissures présentent une forte dépendance vis-à-vis de la microstructure du matériau, notamment à faible amplitude de chargement. Afin d'étudier cette dépendance, une étude statistique basée sur des résultats de calculs éléments finis d'agrégats polycristallins a été conduite. Le problème a d'abord été traité en deux dimensions, avec un modèle de plasticité cristalline simplifié. L'analyse des résultats a permis de mettre en évidence un effet de voisinage dans les polycristaux et de retranscrire la dispersion des résultats de fatigue observés en surface. En passant à un modèle en trois dimensions et étudiant différents chargements, il a été possible de corréler les structures de localisation de la déformation plastique dans le volume de l'agrégat avec les observations expérimentales. Également, les marches d'intrusion/extrusion induites en surface par les chargements de fatigue, sites préférentiels d'amorçage, ont été reproduites. Elles mettent en exergue la nocivité des chargements de type équibiaxial. Le problème des effets de bords a été soulevé, car il réduit l'échantillon des résultats exploitables par un traitement statistique. Ensuite, l'introduction de la rugosité de surface dans les agrégats simulés a mis en lumière la compétition entre les paramètres microstructuraux du matériau et les singularités géométriques de sa surface libre. Cette analyse a permis de montrer qu'il doit exister un état de surface limite, à partir duquel l'effet de la rugosité prend le dessus sur l'aspect cristallographique concernant la localisation de la déformation plastique en surface des polycristaux. Néanmoins, cet effet s'estompe très rapidement dans la profondeur et devient presque nul après la première rangée de grains surfaciques. Enfin, une modélisation à la fois périodique et rendant compte de l'effet de surface libre, appelée modélisation semi-périodique, a été mise en place pour éliminer les effets de bords et exploiter pleinement les résultats de calculs. Cette méthode apporte aussi de nouvelles perspectives pour l'élaboration d'un modèle à champs moyens pour les polycristaux en surface.

Il est crucial de garantir l'intégrité des cuves de réacteurs à eau pressurisée (REP) en cas de fonctionnement accidentel : dans ce contexte, la compréhension et la modélisation des mécanismes de rupture fragile des aciers constituent des éléments décisifs de l'évaluation complexe des durées de vie des cuves.<br /><br />Les modèles d'approche locale de la rupture par clivage constituent l'un des principaux outils de prédiction de la ténacité des aciers faiblement alliés. La dispersion des contraintes à rupture est interprétée comme un effet de la distribution des défauts dans la microstructure, mais l'effet des hétérogénéités mécaniques n'est pas pris en compte. Or, en dessous d'une température de transition de comportement Ta (de l'ordre de 25°C), les mécanismes de déformation sont grandement affectés par la température et la vitesse de déformation.<br /><br />Notre approche consiste à prendre en compte l'effet des hétérogénéités de contraintes dans un critère local d'amorçage du clivage. Les résultats de calculs de microstructure sont utilisés pour proposer une description statistique de l'évolution des distributions de contraintes locales. Cette approche statistique permet de proposer un modèle d'approche locale de la rupture dépendant à la fois des hétérogénéités mécaniques et des distributions de tailles de défauts.<br /><br />Le comportement du matériau et son évolution sont caractérisés aux échelles microscopique et macroscopique dans le domaine de température [25°C,-196°C]. Des essais de traction simple, de sauts de vitesse et de température, et de ténacité sont réalisés.<br /><br />Nous proposons un modèle de comportement micromécanique décrivant le comportement plastique en dessous de la température de transition Ta. La loi de comportement est basée sur les mécanismes de déformation décrits dans la bibliographie et identifiées par méthode inverse à partir des essais mécaniques. Les observations au MET et la caractérisation du comportement activé thermiquement permettent de fixer plusieurs paramètres du modèle.<br /><br />Des simulations sont réalisées afin de modéliser les distributions de contrainte principale Σ1 dans deux microstructures bainitiques correspondant au volume élémentaire de l'approche locale de la rupture. L'effet de la température et de la triaxialité sur l'évolution des hétérogénéités est caractérisé. Nous proposons une fonction de distribution décrivant la distribution des valeurs locales de Σ en fonction des contraintes principales et équivalente <Σ> et <Σmises> moyennes dans la microstructure.<br /><br />Cette fonction est utilisée pour formuler un modèle d'approche locale de la rupture intégrant la distribution des tailles de défauts critiques et les distributions de Σ1.. On montre que dans certains cas, la dispersion des contraintes locales suffit à expliquer les dispersions des contraintes à rupture à l'échelle du volume élémentaire. Les dispersions de contraintes à rupture sont en accord avec celles prédites par le modèle de Beremin. La prise en compte des hétérogénéités mécaniques permet d'introduire une dépendance de la probabilité de rupture en fonction de la température, de la déformation et de la triaxialité. Il reste à appliquer le modèle d'approche locale au calcul d'éprouvettes CT et de comparer les dispersions de ténacités simulées à celles mesurées expérimentalement.

Si l'amorçage des fissures de fatigue est aujourd'hui bien compris dans le cas de monocristaux de métaux purs, ce phénomène s'avère plus complexe à cerner et à prédire dans le cas d'alliages métalliques polycristallins tels que l'acier AISI 316LN.D'un point de vue expérimental, notre étude s'est concentrée sur la caractérisation du comportement mécanique et l'étude, à différentes échelles, des phénomènes liés à l'amorçage des fissures de fatigue oligocyclique dans l'acier 316LN. Pour des niveaux de déformation appliquée de Δε/2 = 0,3 et 0,5%, l'adoucissement cyclique observé au cours des essais coïncide avec l'organisation des dislocations sous forme de bandes. Ces bandes sont liées à l'activation des systèmes de plus haut facteur de Schmid. Elles portent la majeure partie de la déformation et provoquent en surface des intrusions et extrusions favorisant l'apparition et la coalescence de fissures.D'un point de vue modélisation, nous avons proposé un nouveau modèle de plasticité cristalline intégrant des dislocations géométriquement nécessaires (GND) directement calculées à partir du second gradient de la rotation élastique. Implémenté dans les codes d'éléments finis AbaqusTM et Cast3mTM, ce modèle s'inspire des travaux sur le monocristal en transformations finies de Peirce et al. (1983) et de Teodosiu et al. (1993). Adapté au cas des polycristaux par Hoc (1999) et Erieau (2003), il a été enrichi par l'introduction GND selon la théorie proposée par Acharya et Bassani (2000). Les simulations réalisées sur des différents types d'agrégats (2D extrudé et 3D) montrent que la prise en compte de GND permet :- de reproduire les effets de taille de grains au niveau macroscopique et local,- de décrire plus finement les champs de contraintes calculés.Ces simulations ont permis de mettre en évidence l'influence des matrices d'élasticité et d'écrouissage sur les valeurs et l'évolution des contraintes macroscopique effective et cinématique moyenne et le rôle important des conditions aux limites lors des calculs d'agrégats.

Modéliser la déformation plastique des polycristaux est un objectif majeur de la science des matériaux. Tous les modèles actuels comportent une partie phénoménologique n'ecessitant un ajustement de paramètres sur des résultats expérimentaux. Cette thèse vise à mettre en place un nouveau modèle, justifié physiquement, sans paramètre ajustable et adapté à la modélisation du polycristal CFC en sollicitation monotone. Afin de mesurer les champs mécaniques à l'échelle du micromètre, des mesures de microdiffraction Laue ont été réalisées sur un tricristal de cuivre à une faible déformation plastique. Ces mesures nous renseignent sur les mécanismes plastiques intervenant très près des joints de grains et définissent des états de référence pour les simulations. On montre principalement que la déformation plastique s'accompagne d'un stockage de dislocations géométriquement nécessaires (GND) aux joints de grains, en relation avec l'apparition de contraintes internes à longue distance. Des simulations de Dynamique des Dislocations dans des bicristaux ont 'et'e réalisées afin de caractériser les phénomènes physiques mis en œuvre. Ces simulations confirment que l'interaction dislocations - joints de grains s'accompagne d'un stockage de GND sous la forme de microstructures tridimensionnelles très inhomogènes. Les propriétés mécaniques induites par ce phénomène complexe peuvent être quantifiées par des lois continues élaborées à partir de l'approximation théorique d'un empilement unidimensionnel. Les lois de comportement ainsi définies ont ensuite été incorporées dans une modélisation micromécanique de plasticité cristalline, jusqu'ici dédiée au monocristal CFC. Le modèle ainsi construit a maintenant la capacité de prédire les mesures réalisées sur le tricristal de cuivre. Nous avons ainsi mis en place un modèle physiquement justifié et adapté 'a la modélisation du polycristal CFC en sollicitation monotone.

La compréhension des mécanismes de déformation dans les matériaux polycristallins est un problème important, qui conditionne notre capacité à concevoir et à produire des pièces de structure plus sures et avec un impact environnemental moindre. Cette compréhension est aujourd'hui limitée par notre capacité à observer à la fois la microstructure du matériau et ses mécanismes de déformation en trois dimensions (3D) aux petites échelles, et à informer les simulations mécaniques à partir des mécanismes physique de déformations du réseau cristallin. Des progrès considérables ont été faits dans les dernières décennies avec les observations de surfaces (i.e. technique EBSD associée a de la corrélation d’image) qui a permis de nombreuses études combinant des observations expérimentales à des simulations, à partir de la surface de la microstructure. Cependant, une comparaison précise sans connaitre la microstructure sous-jacente reste un défi. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthodologie basée d'une part sur des mesures couplant la tomographie et la diffraction des rayons X, et d'autre part sur des simulations mécaniques de platicité cristalline. Cette approche permet une comparaison quantitative en volume entre les mécanismes de déformation, l’évolution de la courbure du réseau cristallin et les champs mécaniques simulés.Pour ce faire, une machine de traction dédiée aux expériences 4D d’imagerie par diffraction sur grands instruments a été conçue, et utilisée pour déformer en tension un échantillon d’Aluminium Lithium. La cartographie 3D de la microstructure a été obtenue par tomographie par contraste de diffraction, et un agrégat de trois grains dans le volume de l’échantillon a été choisi comme région d’intérêt pour des observation 4D par topotomographie. L’apparition des premières bandes de glissement en volume et leur évolution au cours du chargement ont été observées le long de plans cristallographiques bien définis. Les trois grains ont montré une activité plastique le long de deux familles de plans différents, pas toujours en accord avec une analyse macroscopique du facteur de Schmid, ce qui est attribué à l'influence du voisinage sur l'activation des systèmes de glissement. Les changements d’amplitude et d’orientation de la courbure moyenne des grains ont été mesures avec un niveau de détail sans précédent, par une analyse tridimensionnelle des courbes de reflexions.En parallèle, des simulations de la plasticité cristalline par éléments finis (CPFE) ont été menées utilisant la cartographie tridimensionnelle de la microstructure mesurée expérimentalement. Un chargement uniaxial de traction a été applique pour reproduire numériquement l’expérience, et comparer grain par grain l’activité plastique. L’activité des systèmes de glissement prédite par le modèle est conforme aux observations expérimentales d’une activité plastique le long de deux plans. Un cadre mathématique pour prédire l’angle de Bragg local en fonction des déformations et des rotations du réseau cristallin a été formulé. Un post-traitement des champs intragranulaires de déformation à partir des résultats des simulations CPFE a montré une excellente concordance avec les résultats expérimentaux. Ce résultat confirme que la topotomographie in-situ aux rayons X est un outil prometteur pour l’étude des premiers stades de la plasticité cristalline en volume. / Understanding the intimate details of plastic deformation in polycrystalline materials is an important issue to improve material design and ultimately produce safer structural parts with less impact on the environment. This understanding is presently limited by our ability to observe both the microstructure of the material and the deformation processes in three dimensions (3D) at small length scales and inform mechanical simulations with physical deformation mechanisms of the crystal lattice. Considerable progress has been made in the last decade with surface observation (eg EBSD coupled to digital image correlation) which led to numerous studies combining experimental observations and simulations from the surface microstructure. However, an accurate comparison without knowing the underlying microstructure remain challenging. In this work, we propose a new methodology which allows a quantitative comparison between the observation of deformation mechanisms, the evolution of the grain lattice curvature and the simulated mechanical fields.For that purpose, a mechanical stress rig dedicated for synchrotron 4D diffraction imaging experiments has been designed, and used to deform an Aluminium-Lithium specimen under tension. The 3D grain map has been obtained by diffraction contrast tomography analysis, and a cluster of three grains within the bulk has been selected to be the region of interest of the 4D observation by X-ray topotomography. The appearance and evolution of 3D crystalline defects as a function of the applied load has been observed to be located along well defined crystallographic planes. All three grains showed plastic activity on along two different set of planes, which is not always coherent with a macroscopic Schmid Factor analysis. The change of the amplitude and the orientation of the average grain curvature has been measured with an unprecedented level of detail by means of 3D rocking curve analysis.In parallel, crystal plasticity finite element (CPFE) simulations have been carried using the 3D grain map measured experimentally. Tension loading was applied to reproduce the experiment numerically and compare the plastic activity on a grain by grain basis. The slip system activity predicted by the model matches in most cases the observed two slip system scenario. A mathematical framework to predict the local Bragg angle based on the stretch and rotation of the crystal lattice by the elastic strain tensor was derived. Post-processing the intragranular strains fields from the CPFE results allowed to simulate 3D rocking curves, showing excellent agreement with the experimental measurements. This result confirms that in situ X-ray topotomography is a promising tool to study the early stage of polycrystal plasticity within the bulk of millimetric material specimens.