Les critères de localisation et d'endommagement sont généralement basés sur un cadre dissipatif et ce travail s'intéresse aux couplages thermomécaniques accompagnant les micromécanismes de déformation. Il repose en partie sur des données expérimentales obtenues précédemment dans le laboratoire par Bodelot pour un polycristal d'acier A316L. Ce travail tire profit d'une combinaison de techniques différentes, en particulier de mesures in situ de champs cinématiques et thermiques ainsi que de l'Orientation Imaging Microscopy, de la profilométrie et d'une micrographie de surface. Différents outils ont été développés afin (1) d'identifier automatiquement les systèmes de glissement activés, (2) d'estimer l'émissivité de la surface permettant ainsi une détermination des champs thermiques avec une précision de 30 mK, (3) de projeter les champs bruts expérimentaux sur la microstructure et (4) de permettre la modélisation du polycristal et de ses conditions aux limites thermomécaniques réelles dans un cadre de plasticité cristalline dans le code EF Abaqus. Il a notamment été montré que les variations de température fournissent une estimation précise et aisée de la limite d'élasticité macroscopique ainsi que la détermination de la contrainte de cisaillement critique à l'échelle granulaire. En outre, les mesures cinématiques ont permis l'identification des systèmes de glissement activés. Des bilans énergétiques expérimentaux et numériques ont été réalisés et une grande influence de l'hétérogénéité polycristalline sur les mécanismes de stockage d'énergie a été soulignée. Les méthodes proposées contribueront à améliorer les critères d'endommagement basés sur un cadre dissipatif

L'application d'un temps de maintien, même de faible durée, lors d'un chargement cyclique, modifie de façon très sensible à la fois le comportement contrainte-déformation et le nombre de cycles à amorçage dans l'alliage base titane TI-6242. Ceci est lié à un régime de fluage cyclique, conduisant à de la déformation progressive d'une part, et à une forte interaction fatigue-temps de maintien pour ce qui concerne le nombre de cycles à amorçage. Les différents phénomènes sont pour le moment assez mal analysés, si bien qu'il n'est pas possible d'effectuer une conception optimale des pièces, de larges marges de sécurité étant nécessaires. Le but du travail est de mieux comprendre les mécanismes locaux qui régissent le comportement et l'amorçage des fissures, dans le but de suggérer des microstructures optimales, et de calibrer des modèles macroscopiques utilisables en bureau d'études. En s'appuyant sur une base expérimentale fournie par Snecma et l'ENSMA, une approche multiéchelles a été mise en place pour représenter les hétérogénéités locales qui ont un rôle significatif sur les comportements observés. Dans les calculs des microstructures, faisant intervenir une étape d'évaluation statistique, on se focalise sur la représentation explicite des "plumes", grains de taille exceptionnelle, qui sont à l'origine des premières microfissures en raison du contraste cristallin qu'ils introduisent avec l'environnement. Une revue des différentes configurations de plumes, afin de retenir celles qui sont le plus critique, a été établie. Cette analyse a permis de mettre en évidence la présence de plumes simples, doubles ou triples, les domaines se présentant sous formes de bandes. Les configurations à étudier comportent comme paramètres critiques l'orientation géométrique de la bande par rapport à la direction du chargement macroscopique, mais surtout l'orientation cristallographique au sein de cette (ces) bande(s). Des calculs systématiques ont été effectués afin de mener une étude statistique et de déterminer les configurations les plus sensibles.

Le Zircaloy-4 utilisé comme matériau de gainage des combustibles nucléaires est trempé β puis filé sur aiguille dans le haut domaine α. La microstructure de trempe, qui conditionne les opérations de mise en forme ultérieures, se présente sous deux formes : vannerie ou colonies de lamelles parallèles. Ces dernières se fragmentent difficilement lorsqu'elles sont normales à l'effort de compression. La thèse étudie trois aspects de ce phénomène. Le premier concerne les conditions de trempe : temps d'homogénéisation dans le domaine β et vitesse de refroidissement. Une adaptation au Zircaloy-4 de l'essai Jominy montre que ces deux paramètres ont une influence décisive sur la taille des colonies (par l'intermédiaire de la taille des grains β) et sur l'épaisseur des lamelles. Le second présente des essais de compression selon trois directions orthogonales. La troisième passe fragmente les colonies qui ont résisté aux deux autres et affine sensiblement la microstructure. A 750°C en particulier, un cycle de trois passes permet d'obtenir des grains de 30 µm ; mais les meilleurs résultats sont obtenus à 650°C (grains de 17 µm) et à grande vitesse de déformation (grains de 10 µm).Dans le troisième, un modèle de plasticité cristalline tridimensionnel implémenté dans le code d'éléments finis ABAQUS simule le comportement des lamelles sous l'effet de la contrainte. Il prend en compte leur orientation cristallographique en plus de leur morphologie. Dans la plupart des cas, les lamelles s'incurvent dès le début de la déformation macroscopique du matériau, ce qui induit des localisations de la déformation.

Cette étude porte sur l'usinage de l'alliage de titane Ti17 avec une assistance jet d'eau haute pression. Une attention particulière a été portée à l'analyse des mécanismes de dégradation et d'usure des outils lors de l'usinage avec et sans assistance. Le suivi de l'usure est réalisé par des observations régulières au microscope électronique à balayage (MEB) et par des analyses chimiques (technique EDS) afin de déterminer les zones de dépôt de matière sur l'outil. Toutes ces observations ont permis d'expliquer les mécanismes d'usure pour une opération d'ébauche et de finition. Il a été montré que les mécanismes d'usure sont différents entre l'usinage conventionnel et l'usinage assisté. En effet, lors de l'assistance jet d'eau haute pression, certains mécanismes ne sont plus activités mais d'autres mécanismes sont accélérés. Il existe donc une pression de jet d'eau optimale pour minimiser l'usure de l'outil.Afin de mettre en évidence l'effet du jet d'eau sur les phénomènes thermomécaniques dans les zones de formation du copeau, une modélisation par éléments finis est réalisée. Un couplage fluide / structure a dû être mis en place afin de prendre en compte les actions mécaniques et thermiques du jet d'eau sur la zone de coupe. Pour cela, la loi de comportement et le modèle d'endommagement de Johnson-Cook, ont été identifiés pour le Ti17 dans des conditions extrêmes sur une large gamme de températures et de vitesses de déformation. Cette modélisation a permis de mettre en évidence, pour l'usinage assisté haute pression, la diminution de la zone de contact outil/copeau, de retrouver la fragmentation du copeau et de quantifier le refroidissement des différentes zones de cisaillement.En revanche, cette modélisation ne permet pas de connaître l'effet de l'hétérogénéité microstructurale du matériau sur la zone de coupe. Ce constat est d'autant plus important que le matériau étudié présente une taille de grain importante (de l'ordre du millimètre). Pour cela, une nouvelle modélisation (multi-échelle) a été développée afin de prendre en compte la microstructure du matériau. Le matériau est donc modélisé comme un polycristal qui prend en compte des lois de la plasticité cristalline. Cette nouvelle approche permet alors de simuler la formation du copeau en prenant en compte les orientations cristallines des grains et les changements de phase qui apparaissent lors de l'usinage.

Le dioxyde d'uranium (UO2) est le combustible de référence pour les réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Notre étude traite de la compréhension et de la modélisation du comportement mécanique, dans les domaines basse température (rupture fragile) et haute température (déformation viscoplastique), à l'échelle de la microstructure. Dans un premier temps est présentée une étude des propriétés géométriques des polycristaux en général et du polycristal d'UO2 en particulier. Nous montrons que nous pouvons reproduire des agrégats polycristallins réalistes et économes en nombre d'éléments. Pour améliorer les connaissances du comportement de ce matériau dans le domaine de rupture fragile, nous avons développé une méthode expérimentale permettant de mieux comprendre le phénomène de rupture fragile à l'échelle du grain. Nous montrons que la rupture est entièrement intragranulaire et que les plans {100} semblent être les plans préférentiels pour cette rupture. Les résultats expérimentaux obtenus sont directement utilisés pour formuler une loi de comportement de rupture fragile intragranulaire à l'échelle du cristal, utilisée ensuite dans des calculs de rupture fragile sur un polycristal tridimensionnel. Le calcul est réalisé en champ complet, donnant ainsi accès à l'amorçage et à la propagation de la fissure à travers les grains. Enfin, nous avons développé une modélisation du comportement de l'UO2 dans le domaine viscoplastique. Nous présentons tout d'abord une loi de comportement à l'échelle macroscopique qui inclut un effet de vieillissement par migration de défauts vers les dislocations. Dans un second temps, nous avons développé une loi de comportement de type plasticité cristalline adaptée à l'UO2, incluant les effets de rotation de réseau. Nous présentons des exemples de calculs sur polycristaux. / Uranium dioxide (UO2) is the reference fuel for pressurized water nuclear reactors. Our study deals with understanding and modeling of mechanical behavior at the microstructure scale at low temperatures (brittle fracture) and high temperature (viscoplastic strain). We have first studied the geometrical properties of polycrystals at large and of UO2 polycrystal more specifically. As of now, knowledge of this behavior in the brittle fracture range is limited. Consequently, we developed an experimental method which allows better understanding of brittle fracture phenomenon at grain scale. We show that fracture is fully intra-granular and {100} planes seem to be the most preferential cleavage planes. Experimental results are directly used to deduce constitutive equations of intra-granular brittle fracture at crystal scale. This behavior is then used in 3D polycrystal simulation of brittle fracture. The full field calculation gives access to the initiation of fracture and propagation of the crack through the grains. Finally, we developed a mechanical behavior model of UO2 in the viscoplastic range. We first present constitutive equations at macroscopic scale which accounts for an ageing process caused by migration of defects towards dislocations. Secondly, we have developed a crystal plasticity model which was fitted to UO2. This model includes the rotation of the crystal lattice. We present examples of polycrystalline simulations.

Les aciers austénitiques et alliages à base de nickel sont des matériaux de choix pour leurs propriétés mécaniques à haute température. L'enrichissement en chrome améliore leur durabilité de part la formation d'une couche d'oxyde protectrice à l'exemple de la chromine (Cr2O3).Il est néanmoins établi, par des essais mécaniques sous vide, que l'oxydation réduit de manière notable leur durée de vie en fatigue.En effet, la croissance d'oxyde peut être accompagnée d'une introduction de défauts tels que l'injection de lacunes, d'éléments délétères comme l'hydrogène mais également de contraintes résiduelles, etc., dans le métal.Les micromécanismes de fissuration sont ainsi régis par des interactions complexes entre l'environnement et la surface du métal, faisant intervenir composition chimique et microstructure.Aujourd'hui, les enjeux de sécurité et de compétitivité font de la prévision de la durée de vie de ces alliages une nécessité pour l'industrie nucléaire.L'augmentation de la dimension des modèles permet de prendre en compte de manière explicite les interactions multiphysiques du couple oxyde/métal sous l'action d'un chargement mécanique.La thèse s'inscrit dans cette démarche et propose une formulation d'un modèle de champ de phases couplé avec la mécanique et fondé sur les principes de la thermodynamique des milieux continus.Le comportement effectif de l'interface est présentement obtenu via des méthodes d'homogénéisation permettant de combiner des comportements mécaniques dissemblables, à l'image d'un substrat ductile et de son oxyde fragile.Les contraintes induites par la formation d'oxyde et également par le chargement mécanique peuvent être relaxées viscoplastiquement, de manière isotrope et anisotrope, respectivement dans l'oxyde et dans le substrat.Des simulations par éléments finis de l'oxydation généralisée ainsi que de l'oxydation intergranulaire sous chargement mécanique sont effectuées.Ces dernières mettent en évidence la possibilité d'un phénomène d'oxydation catastrophique par la génération de contraintes de tensions dans l'oxyde fragile, lesquelles peuvent être localisées le long des intrusions d'oxyde dans les joints de grains. / Austenitic stainless steels and nickel based alloys are widely used for their mechanical properties at high temperatures.Their durability can be increased by the addition of chromium resulting in the formation of a protective oxide layer such as chromia (Cr2O3).Nevertheless, it is established from vacuum mechanical tests that oxidation significantly decreases their fatigue life.In fact, oxide growth can be followed with the injection of defects such as vacancies, deleterious chemical elements and residual stresses, etc., into the metal.The resulting cracking micromechanisms are therefore governed by complex interactions between the environment and the metal surface, implying the chemical composition and the microstructure of the metal.To date, materials life prediction is a necessity for the nuclear industry due to safety and economic issues.The enhancement of the model dimensionality allow to explicitly account for multi-physics interactions between oxide and metallic phases under mechanical loads.The thesis is in line with it and relies on the development of a phase field model coupled with mechanics that heavily relies on the principles of continuum thermodynamics.The effective behaviour of the interface is obtained by homogenisation methods allowing the mixture of separate behaviours, as it is the case on a ductile metallic substrate and its fragile oxide.Oxide growth residual stresses and mechanical load induced stresses can be relaxed by viscoplasticity, which is isotropic and anisotropic respectively for the oxide and the substrate.Full field finite element simulations are performed to study both generalised and intergranular oxidation under mechanical loads.The simulations highlight the possibility of triggering breakaway oxidation by the generation of tensile stresses in the fragile oxide, which can be localised along oxide intrusions at grain boundaries.

L'application d'un temps de maintien, même de faible durée, lors d'un chargement cyclique, modifie de façon très sensible à la fois le comportement contrainte-déformation et le nombre de cycles à amorçage dans l'alliage base titane TI-6242. Ceci est lié à un régime de fluage cyclique, conduisant à de la déformation progressive d'une part, et à une forte interaction fatigue-temps de maintien pour ce qui concerne le nombre de cycles à amorçage. Les différents phénomènes sont pour le moment assez mal analysés, si bien qu'il n'est pas possible d'effectuer une conception optimale des pièces, de larges marges de sécurité étant nécessaires. Le but du travail est de mieux comprendre les mécanismes locaux qui régissent le comportement et l'amorçage des fissures, dans le but de suggérer des microstructures optimales, et de calibrer des modèles macroscopiques utilisables en bureau d'études. En s'appuyant sur une base expérimentale fournie par Snecma et l'ENSMA, une approche multiéchelles a été mise en place pour représenter les hétérogénéités locales qui ont un rôle significatif sur les comportements observés. Dans les calculs des microstructures, faisant intervenir une étape d'évaluation statistique, on se focalise sur la représentation explicite des ”plumes”, grains de taille exceptionnelle, qui sont à l'origine des premières microfissures en raison du contraste cristallin qu'ils introduisent avec l'environnement. Une revue des différentes configurations de plumes, afin de retenir celles qui sont le plus critique, a été établie. Cette analyse a permis de mettre en évidence la présence de plumes simples, doubles ou triples, les domaines se présentant sous formes de bandes. Les configurations à étudier comportent comme paramètres critiques l'orientation géométrique de la bande par rapport à la direction du chargement macroscopique, mais surtout l'orientation cristallographique au sein de cette (ces) bande(s). Des calculs systématiques ont été effectués afin de mener une étude statistique et de déterminer les configurations les plus sensibles. / The application of a dwell period, even of short length, during a cyclic loading, simultaneously changes the stress-strain behaviour and the number of cycles to failure in a very sensitive way. This phenomenon is connected to a cyclic creep regime, generating progressive deformation, and to a strong interaction between the fatigue process and dwell periods for the number of cycles to failure. All these phenomena are poorly analysed nowadays, so that engineers hardly perform optimal design of the components, since large security margins are necessary. The aim of the work is to better understand the local mechanisms which govern both behaviour and crack initiation, having in view optimal microstructures, and to calibrate manageable macroscopic models for the design department. Using an experimental data set given by Snecma and ENSMA, a multiscale approach has been developed to represent the local heterogeneities that play a significant role on observed behaviour. In the calculations of microstructures that are performed for a statistical evaluation, the focus is made on the explicit representation of the so called "plumes", that are grains of exceptional size, which are at the origin of the first microcracks due to crystal contrast they introduce with the environment. A review of various "plume" configurations is made, in order to investigate the most critical ones. This analysis allowed to shed the light on the presence of simple, double or triple "plumes", the domains being in band shapes. The critical parameters are the geometric arrangement of the band with respect to the direction of the macroscopic loading, but essentially the crystal orientation within this (these) band(s). Systematic calculations were carried out in order to do a statistical study and to determine the most critical configurations.

La course à la miniaturisation entraine une forte hausse de la demande encomposants aux dimensions submillimétriques et donne un essor considérable aux procédés de micro-formage. Cependant le comportement mécanique des tôles ultrafines, employées dans ces procédés présente des singularités liées à la réduction du nombre de grains. Cette thèse a eu pour objet de mettre en place un outil d’aide à la prédiction du comportement mécanique des tôles ultrafines.Expérimentalement, le comportement de deux alliages de cuivre, le CuBe2 et le CuFe2P, a été caractérisé sous divers types de chargement. Diverses caractéristiques ont été mises en évidence, notamment l’anisotropie de la réponse mécanique, l’effet Bauschinger ou encore ladégradation du module de Young.Afin d’obtenir un cadre de modélisation apte à la description de tôles présentant un comportement plus ou moins homogène, deux approches ont été retenues. La première consiste en une modélisation phénoménologique inspirée des observations macroscopiques. La seconde est une description, en plasticité cristalline, à l’échelle du grain du comportement mécanique, basée sur les mécanismes physiques de déformation. Les modèles retenus ont été intégrés dansles logiciels ABAQUS et SiDoLo dans le formalisme des grandes transformations. Des stratégies d’identification paramétrique des différents modèles sont développées et une analyse comparative de l’impact de l’identification sur les prévisions des modèles est proposée.Enfin les approches développées sont mises en oeuvre sur des procédés industriels et des tests académiques. Une étude sur des facteurs influençant la prédiction du retour élastique estréalisée. Elle a montré qu’une attention particulière doit être portée à la modélisation de l’élasticité. / The on-going trend on device miniaturization has increased the demand forminiature parts and boosted micro forming processes. However, the mechanical behavior of ultra-thin sheet metals is subjected to certain peculiarities which are driven from the reduced number of grains in the sheets. The present work aimed to provide a numerical tool for the prediction of the mechanical behavior of ultra-thin sheet metals. The mechanical behavior of two copper alloys, CuBe2 and CuFe2P, was experimentally characterized through several strain paths. Various characteristics have been revealed, such as the anisotropic response, Bauschinger effect and the decrease of the Young modulus.In order to build a modeling frame capable of describing thin metal sheets which exhibit a highly heterogeneous behavior and those whose response is more homogeneous, two modeling approaches were considered. On one hand, a phenomenological model based on the experimental results is chosen. On the other hand, a crystal plasticity based model, which takes into account the physical deformation mechanisms, is adopted. Both models were implementedin ABAQUS and SiDoLo softwares, under the finite strain formalism. Parametric identification strategies are devised and the influence of calibration on models performance is assessed.Ultimately, the modeling approaches were applied to the simulation of industrial processes and academic tests. A numerical study on relevant parameters for the prediction of springback has been performed. The accurate modeling of elasticity proved highly influential.

Ce travail vise à améliorer la compréhension du développement des textures cristallographiques de déformation dans les alliages d'aluminium, et ainsi améliorer leur modélisation. La méthode originale adoptée consiste à suivre les rotations de grains individuels dans un polycristal en cours de déformation.<br /><br />L'approche expérimentale, nommée "suivi de microtextures", s'appuie sur l'utilisation d'un "échantillon tranché" déformé en compression plane à 400°C, appliquée en plusieurs passes, et de la technique EBSD pour l'analyse des orientations locales des grains sur la surface médiane de l'échantillon au cours de la déformation. 176 grains ont ainsi pu être suivis, jusqu'à une déformation de 1.2. <br /><br />Les données obtenues (classiquement 3000 orientations par grain) donnent accès aux rotations moyennes des grains, lesquelles contribuent directement à la formation de la texture. Elles sont décrites en termes d'angle et d'axe de rotation, mais aussi de chemins de rotation. Les désorientations intragranulaires sont caractérisées et rattachées aux mécanismes d'accomodation des déformations. De plus, un effet d'interaction intergranulaire est mis en évidence afin d'améliorer les modèles.<br /><br />Une large gamme de modèles sont étudiés, notamment le modèle de Taylor et un modèle de type Taylor (RSI). Nous montrons que le modèle de Taylor fournit un accord au premier ordre pour les rotations des grains individuels. Les désaccords peuvent être attribués en partie à l'interaction intergranulaire. Le modèle RSI permet de rendre compte de cette interaction, mais pas suffisamment. Ces données, nouvelles et originales, sont maintenant disponibles pour améliorer les modèles de plasticité cristalline.

Dans les réacteurs nucléaires à eau sous-pression (REP), le combustible est constitué de pastilles d'oxyde d'uranium (UO2) empilées dans des tubes métalliques, l'ensemble constituant un crayon combustible. La simulation du comportement des crayons combustibles en situation nominale ou incidentelle nécessite d'avoir recours à une modélisation multi-échelle et multi-physique, les phénomènes modélisés étant regroupés en deux catégories : la thermo-mécanique et la physico-chimie relative au comportement des produits de fission gazeux. Ces dernières années l'évolution des modèles et des moyens de calcul a permis des développer les simulations thermo-mécaniques à l'échelle de la microstructure et d'accroitre les possibilités de couplage. C'est dans ce contexte d'amélioration et de raffinement de la modélisation que se situe ce sujet de thèse. <br /><br /> Ce travail concerne le développement d'une modélisation du comportement thermo-mécanique de l'UO2 à l'échelle du polycristal. Deux descriptions de l'agrégat sont envisagées : une approche à champ moyens (via une formulation auto-cohérente) et une approche par éléments finis, pour laquelle la géométrie du Volume Elémentaire Représentatif (VER) est décrite comme une mosaïque de Voronoï 3D-périodique. <br /> Les mécanismes de viscoplasticité spécifiques au combustible UO2 sont modélisés à l'échelle du monocristal, en introduisant des caractéristiques de la microstructure (systèmes de glissement, densités de dislocation, décohésion aux joints de grains) dans la mise en équations du modèle. <br /><br /> Le comportement du VER est par la suite analysé à la fois en termes de réponse effective, qui est comparée aux données expérimentales disponibles et aux modèles mécaniques utilisés à l'échelle de la pastille, et en termes de phénomènes de localisation. En particulier, nous nous intéressons aux distributions de pression hydrostatique inter- et intragranulaire, qui pilotent le transport des produits de fission. <br /> La robustesse des résultats obtenus en fonction du choix du maillage éléments finis est étudiée. Une série de calculs est présentée afin de trouver un compromis satisfaisant en termes de discrétisation pour une estimation correcte des contraintes locales. <br /><br /> Enfin, l'exploitation du modèle se déroule en deux temps. Une première étude propose de retrouver des mesures expérimentales de décohésion intergranulaire sur le combustible en introduisant des modèles de zones cohésives dans le VER.<br /> Afin de quantifier l'effet de la microstructure sur le comportement mécanique de l'UO2 en irradiation, un chargement de type rampe de puissance similaire aux essais expérimentaux menés sur des crayons combustible est appliqué au polycristal. L'analyse des distributions locales de contraintes donne lieu à une discussion sur l'effet de l'incompatibilité de déformation entre grains voisins sur le comportement des produits de fission.