Les absorbeurs de photons, tels que ceux présents à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), sont soumis à des cyclages thermo mécaniques en raison du caractère pulsé et d’intensité variable du faisceau X auquel il est soumis. L’ambition d’accroitre les intensités de faisceau implique une connaissance et une compréhension des mécanismes d’endommagement par fatigue thermique des matériaux constitutifs de l’absorbeur et leur modélisation. L’objectif de la thèse consiste donc à répondre à ces questions.Une étude métallurgique des matériaux constitutifs de l’absorbeur a d’abord été réalisée. Ce composant comprend une partie en Glidcop AL-15 qui reçoit le faisceau de rayons X, un circuit de refroidissement et une plaque en cuivre OFHC, le tout relié par une brasure. Le Glidcop AL-15 est un cuivre pur renforcé par une fine dispersion d’oxydes d’alumine Al2O3 obtenu par oxydation interne d’un alliage Cu-Al. Les comportements monotone et cyclique des deux matériaux, Glicop AL15 et cuivre OFHC, ont été étudiés dans une large gamme de température [20-600°C] et de vitesse de déformation [10-2-10-4 S-1]. Nous montrons que le Glidcop AL-15 présente des caractéristiques mécaniques et de résistance à la fatigue nettement supérieures à celles du cuivre OFHC. A partir d’analyses au MEB et au TEM des éprouvettes post mortem, il apparait que, l’ajout de nanoparticules d’Al2O3 ne modifie pas de manière radicale le mode de glissement des dislocations. Le rôle de l’anisotropie résultant du procédé de fabrication est mis en évidence. A haute température, un modèle viscoplastique de type Chaboche avec un écrouissage cinématique non linéaire, et une viscosité non-linéaire, a été choisi. Un critère de ruine est finalement discuté afin de prédire la durée de vie des absorbeurs sous leurs nouvelles conditions d’utilisation. / Crotch absorbers, such as used at ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), are subjected to thermo mechanical cycling since they are submitted to a pulsed X beam of variable intensity. Since the wish is to increase beam intensities, then the identification and understanding of thermal fatigue damage mechanisms of materials present in the crotch absorber and their modeling become necessary. The PhD thesis aimed at answering these questions. A metallurgical investigation of the materials that constitute the crotch absorber has been carried out. This component comprises a part made of Glidcop AL-15 which catch the X ray beam, a cooling system and an OFHC copper plate, all being assembled by brazing. Glidcop AL-15 is a pure copper matrix reinforced with a fine dispersion of Al2O3 nanoparticles and is elaborated by internal oxidation of a Cu-Al alloy. Monotonic and cyclic behaviours of Glicop AL15 and OFHC copper have been studied in a wide range of temperatures [20-600°C] and of strain rates [10-2-10-4 s-1]. It is shown that Glidcop AL-15 exhibited mechanical properties and fatigue resistance much better than those of OFHC copper. From SEM and TEM analysis of post mortem specimens, it is found that the presence of Al2O3 nanoparticules did not modify very much the slip mode of dislocations. The role of anisotropy resulting from the manufacturing process is then pointed out. At high temperature, a viscoplastic material model of the Chaboche type with a non linear kinematic hardening and a non-linear viscosity has been chosen. Finally, a fatigue damage criterion is discussed in order to predict the fatigue life of crotch absorbers according to their new use conditions.

Les travaux présentés concernent le développement d'un modèle de prévision de durée de vie unifié pour traiter les problématiques de fatigue à faible et grand nombre de cycles. Le modèle est basé sur une approche à deux échelles et un endommagement de type Lemaitre. Le caractère "en vitesse" de la loi d'endommagement permet de traiter des chargements complexes, non proportionnels et aléatoires. Une campagne expérimentale de fatigue sur 12 éprouvettes cruciformes en alliage TA6V pour application aérospatiale est présentée. Elle comporte des essais biaxiaux proportionnels et non proportionnels ainsi que des cas de chargement pseudo-aléatoires. L'utilisation de la corrélation d'images numériques prises dans la zone utile permet d'évaluer les déformations locales en réponse aux sollicitations appliquées. Les cas de chargements sont simulés afin de confronter les déformations de surface et les durées de vie obtenues par calcul, aux résultats expérimentaux. Parmi les contributions théoriques présentées dans le manuscrit, sont à noter : - La proposition d'une nouvelle loi d'évolution pour écrouissage cinématique adaptée au comportement élastoplastique du TA6V sous chargement cyclique; - L'utilisation d'une correction élastoplastique locale permettant d'évaluer les déformations plastiques en surface à partir de calculs de structures linéaires; - L'amélioration d'un critère de micro-plasticité pour la prise en compte des effets de contrainte moyenne et de triaxialité en fatigue à grand nombre de cycles; - L'unification de deux lois d'endommagement afin d'étendre le domaine de validité du modèle initial vers les durées de vie à faible nombre de cycles. La démarche s'appuyant sur le cadre thermodynamique de la mécanique des milieux continus, de nombreuses perspectives d'amélioration du modèle sont discutées. / This work presents the proposal of a unifying predictive model to deal with LCF and HCF problems. It is based on a two-scale approach initially developed by Lemaitre. As the damage evolution law is rate written, complexity due to non proportional and random loadings may also be treated. An experimental fatigue campaign of 12 cross shaped samples made of TA6V alloy for aerospace applications is presented. It includes not only proportional and non proportional biaxial tests but also pseudo random loadings. Digital Image Correlation is used to evaluate the local strains from pictures taken in the zone of interest. Loadings are the simulated and both strains and lifetimes are compared to experimental observations. Among the theoretical contributions presented in this work, the main are: - A new kinematic hardening evolution law for the modeling of elasto-plasticity of TA6V alloy under cyclic loadings; - Use of local elastoplastic correction from linear Finite Element Calculation to estimate plastic strains in the structure zone of interests; - Improvements of the micro-plastic yield function to take into account mean stress effect and triaxiality effects in the lifetime prediction in HCF domain; - A unifying method of two damage variables in order to extend the validity domain of the initial model to shorter lifetimes (LCF). As the model is based on a thermodunamical framework for continuum mechanics, several extension are mentioned as future propects.

Fabriqués industriellement depuis seulement une trentaine d'années, les aciers inoxydables austéno-ferritiques, dits duplex, sont encore peu connus. Leur comportement en fatigue plastique a fait l'objet de quelques études portant sur les sollicitations uniaxiales mais d'aucune sur les sollicitations multiaxiales. Or seule une connaissance approfondie des phénomènes influant sur son comportement permet de simuler et de prédire correctement le comportement d'un matériau dans une structure. <br />Ce travail a pour but l'étude et la modélisation du comportement d'un acier inoxydable duplex sous chargement biaxial cyclique. Une démarche en trois étapes a été adoptée.<br />Une première campagne d'essais de traction-torsion cycliques sur éprouvettes tubulaires a été menée. Nous avons étudié l'équivalence des directions de chargement, puis nous avons porté notre attention sur l'influence du trajet et de l'histoire du chargement. Les résultats ont montré que l'acier inoxydable duplex présente un sur-écrouissage sous sollicitations non-proportionnelles, et que son comportement dépend des sollicitations effectuées auparavant.<br />Ensuite, afin d'interpréter les résultats obtenus lors de cette première campagne d'essais, la surface de plasticité a été mesurée plusieurs fois par cycle pendant le même type d'essai cyclique. Un très faible offset de déformation plastique (2 10-5) a été utilisé afin de ne pas perturber la surface à mesurer. Les évolutions des variables d'écrouissage isotrope et cinématique en ont été déduites.<br />Enfin, trois modèles phénoménologiques de comportement ont été identifiés sur la base expérimentale. Nous nous sommes attachés à la simulation des niveaux de contrainte stabilisée ainsi qu'à la représentation du comportement de durcissement/adoucissement cyclique. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques nous a permis de tester la validité des modèles identifiés.

L'amorçage et la propagation de microfissures dans les matériaux à haute résistance représente une part importante de la durée de vie en fatigue, en particulier dans le cas d'un chargement à faible amplitude. Ces phénomènes, d'un grand intérêt scientifique, ont été de plus en plus étudiés au cours des dernières années. L'orientation cristallographique et les hétérogénéités de déformation induites influent sur l'amorçage et le comportement des microfissures de fatigue tant que leur taille caractéristique est inférieure ou de l'ordre de grandeur de la taille de grains. L'objectif principal de cette étude est de caractériser l'influence de la microstructure et d'un chargement cyclique à amplitude variable sur la plasticité cristalline et plus précisément sur l'amorçage de microfissures dans un acier inoxydable 304L. Le première partie de cette étude consiste à l'amélioration de la loi de comportement cristalline Cristal ECP codée dans le logiciel éléments finis ABAQUS afin de mieux prendre en compte la distribution et l'évolution de la densité de dislocations sur les systèmes de glissement. Ce travail permet également de décrire la formation des bandes persistantes de glissement qui sont responsables du durcissement et de l'adoucissement cyclique. La seconde partie de cette étude concerne l'évaluation de l'influence de la microstructure sur les valeurs locales des paramètres mécaniques utilisés pour les critères de fatigue aussi bien macroscopiques que microscopiques, et relier ces valeurs à l'amorçage de microfissures à l'échelle cristalline. Pour ceci, une comparaison est réalisée entre les résultats expérimentaux d'observation de surfaces et les simulations numériques d'agrégats 3D présentant les orientations cristallines réelles de ces éprouvettes. La simulation de la plasticité cristalline peut apporter une contribution utile pour la prédiction de la localisation et de l'intensité de l'amorçage de microfissures de fatigue, mais également aider à choisir un critère d'amorçage de microfissures basé sur des considérations mécaniques. La dernière partie de ce manuscrit porte sur les effets d'un chargement d'amplitude variable (séquence de surcharge) sur la plasticité cristalline et l'amorçage de microfissures. Deux modes de chargement ont été considérés pour les essais de fatigue : contrainte contrôlée et déformation contrôlée. Les essais avec surcharge en contrainte contrôlée présentent une durée de vie plus importante (six à neuf fois) que les essais avec surcharge en déformation contrôlée, ce qui est lié au durcissement cyclique important du 304L. De plus, les simulations montrent que sous chargement à déformation contrôlée, l'effet mémoire de la surcharge est dépendant du niveau du chargement qui suit la surcharge : cet effet mémoire est plus important dans le cas d'un chargement à faible amplitude (fatigue à grand nombre de cycles) qu'en fatigue oligocyclique à forte amplitude

Le but de ce travail de thèse est de mieux comprendre les mécanismes de déformation à température ambiante dans les alliages de titane bêta-métastable Ti17 et Ti5553. Les microstructures étudiées sont composées de grains bêta transformé, dans lesquels la phase alpha peut précipiter, selon les relations de Burgers, sous la forme de douze variants différents. Une approche multi-échelles est donc préconisée avec trois niveaux représentatifs: macroscopique, mésoscopique (ex-grains bêta), et microscopique (variants alpha et matrice bêta de chaque grain). Différents modèles à champs moyens sont adaptés pour reproduire le comportement mécanique du Ti17 et du Ti5553. Ces modèles impliquent deux transitions d'échelle, et sont basés sur l'homogénéisation des comportements locaux, avec plusieurs manières de représenter les interactions intergranulaires. Les relations entre microstructures et propriétés mécaniques sont également considérées. Les modèles les plus complexes développés dans cette étude vont permettre de simuler l'anisotropie élastique et l'écoulement visqueux de chaque variant alpha (hcp) et de chaque matrice bêta (bcc), en employant la plasticité cristalline avec des écrouissages de type cinématique et isotrope. L'identification des paramètres matériaux est faite à partir d'une vaste base de données expérimentale provenant du projet PROMITI. Pour comprendre le rôle de chaque phase dans le processus de déformation, un calcul EF a également été fait afin de reproduire l'essai de traction sur une très fine éprouvette plate. Dans cette étude, le niveau mésoscopique est explicitement représenté en reprenant fidèlement la géométrie et l'orientation cristallographique de chaque grain bêta transformé. Des comparaisons entre expérience et simulation sont faites à l'échelle macroscopique pour les courbes contrainte - déformation, ainsi qu'au niveau mésoscopique, en considérant les champs de déplacement hors-plan et les champs de déformation.

L‘amorçage et la propagation de microfissures dans les matériaux à haute résistance représente une part importante de la durée de vie en fatigue, en particulier dans le cas d‘un chargement à faible amplitude. Ces phénomènes, d‘un grand intérêt scientifique, ont été de plus en plus étudiés au cours des dernières années. L‘orientation cristallographique et les hétérogénéités de déformation induites influent sur l‘amorçage et le comportement des microfissures de fatigue tant que leur taille caractéristique est inférieure ou de l‘ordre de grandeur de la taille de grains. L‘objectif principal de cette étude est de caractériser l‘influence de la microstructure et d‘un chargement cyclique à amplitude variable sur la plasticité cristalline et plus précisément sur l‘amorçage de microfissures dans un acier inoxydable 304L. Le première partie de cette étude consiste à l‘amélioration de la loi de comportement cristalline Cristal ECP codée dans le logiciel éléments finis ABAQUS afin de mieux prendre en compte la distribution et l‘évolution de la densité de dislocations sur les systèmes de glissement. Ce travail permet également de décrire la formation des bandes persistantes de glissement qui sont responsables du durcissement et de l‘adoucissement cyclique. La seconde partie de cette étude concerne l‘évaluation de l‘influence de la microstructure sur les valeurs locales des paramètres mécaniques utilisés pour les critères de fatigue aussi bien macroscopiques que microscopiques, et relier ces valeurs à l‘amorçage de microfissures à l‘échelle cristalline. Pour ceci, une comparaison est réalisée entre les résultats expérimentaux d‘observation de surfaces et les simulations numériques d‘agrégats 3D présentant les orientations cristallines réelles de ces éprouvettes. La simulation de la plasticité cristalline peut apporter une contribution utile pour la prédiction de la localisation et de l‘intensité de l‘amorçage de microfissures de fatigue, mais également aider à choisir un critère d‘amorçage de microfissures basé sur des considérations mécaniques. La dernière partie de ce manuscrit porte sur les effets d‘un chargement d‘amplitude variable (séquence de surcharge) sur la plasticité cristalline et l‘amorçage de microfissures. Deux modes de chargement ont été considérés pour les essais de fatigue : contrainte contrôlée et déformation contrôlée. Les essais avec surcharge en contrainte contrôlée présentent une durée de vie plus importante (six à neuf fois) que les essais avec surcharge en déformation contrôlée, ce qui est lié au durcissement cyclique important du 304L. De plus, les simulations montrent que sous chargement à déformation contrôlée, l‘effet mémoire de la surcharge est dépendant du niveau du chargement qui suit la surcharge : cet effet mémoire est plus important dans le cas d‘un chargement à faible amplitude (fatigue à grand nombre de cycles) qu‘en fatigue oligocyclique à forte amplitude / Because fatigue crack initiation and propagation of microstructurally short cracks represent most of the fatigue life in high-strength materials, especially under low amplitude loading, the study of crack initiation is of significant importance and attracted increasing attention recently. As long as the microcrack size is comparable with the grain size, the microcrack initiation is strongly influenced by the crystallographic microstructure. The main purpose of this work is to study the influence of the microstructure and variable amplitude loading on cyclic plasticity and microcrack initiation in stainless steel 304L. The first part of this work aims at enriching the crystal plasticity code Cristal ECP to better simulate the evolution of dislocation densities on slip systems and formation of PSBs which are responsible for the fatigue cyclic hardening/softening behavior. The second part concerns the evaluation of the influence of local values of mechanical factors, issued from both macroscopic and microscopic fatigue criteria, on crack initiation in the grains through the comparison between experimental surface observations and numerical simulations of 3D aggregates with realistic crystallographic orientations. It is shown that the crystal plasticity simulation can give useful contributions to predict the crack initiation sites and severity, and help to select fatigue crack initiation criterion based on mechanical parameters which actually control the crack initiation. The last part studies the effects of the variable amplitude loading (high-low sequence) on cyclic plasticity and crack initiation. Both load- and strain-controlled fatigue tests were considered. Load-controlled tests present much longer lives (6 to 9 times) than in strain-controlled tests due to strain hardening. Furthermore, simulations show that under strain-controlled loading, memory effect of overload is dependent on the amplitude level of the low amplitude block, which is more significant in high cycle fatigue than in low cycle fatigue.

Lors du chargement cyclique d’une pièce métallique fissurée, un champ de température hétérogène est créé à la pointe de la fissure. Ce champ de température est dû à trois types de sources de chaleur : (i) la première source est une source de couplage thermoélastique liée à la partie hydrostatique du tenseur des contraintes résultant de la sollicitation mécanique cyclique. Elle fluctue périodiquement dans le temps et l’énergie qui lui est associée est nulle à la fin de chaque cycle de chargement ; (ii) la deuxième source de chaleur est une source dissipative et intrinsèque au comportement du matériau. Elle est reliée au phénomène de l’auto-échauffement dû à la microplasticité dissipée en chaleur dans le matériau à l’échelle microscopique. Elle est positive et s’accumule dans le temps ; (iii) enfin, la troisième source de chaleur a les mêmes origines et propriétés que la deuxième source, mais elle est associée à la plasticité, à l’échelle macroscopique, qui se dissipe en chaleur dans la zone de plasticité cyclique à la pointe de la fissure. En présence de ces trois sources de chaleur, le champ de température résultant génère un champ de contrainte dû au phénomène de la dilatation thermique. Ce nouveau champ des contraintes s’ajoute au champ des contraintes dû au chargement mécanique cyclique, et donc l’état des contraintes sur la fissure est modifié. En conséquence, le facteur d’intensité des contraintes, qui est un paramètre clé dans la modélisation de la propagation des fissures, est modifié. D’où l’objectif de cette thèse qui vise à quantifier les conséquences de ces trois sources de chaleur sur le facteur d’intensité des contraintes, et ce dans le cas d’une fissure longue de fatigue. / By subjecting a cracked specimen to a cyclic loading, thermal effects take place and create a heterogeneous temperature field around the crack tip. Those thermal effects are associated with coupling and dissipative heat sources, namely: (i) the heat source due to thermoelastic coupling generated by the hydrostatic part of the stress tensor related to cyclic mechanical loading; (ii) the heat source due to intrinsic dissipation associated with the self-heating phenomena originating from plasticity at the microscopic scale; (iii) and the heat source due to cyclic plasticity, at the macroscopic scale, which occurs in the reverse cyclic plastic zone ahead of the crack tip, and dissipates into heat. The overall heterogeneous temperature field resulting from the heat sources induces a heterogeneous stress field due to thermal expansion phenomena. As a consequence, the stress state over the crack is modified and leads to modify the stress intensity factor, which is a key parameter in modeling fatigue crack growth. Therefore, the aim of this PhD thesis is to quantify the consequences of the heat sources on the stress intensity factor, in the case of a long propagating fatigue crack.

Le but de ce travail de thèse est de mieux comprendre les mécanismes de déformation à température ambiante dans les alliages de titane bêta-métastable Ti17 et Ti5553. Les microstructures étudiées sont composées de grains bêta transformé, dans lesquels la phase alpha peut précipiter, selon les relations de Burgers, sous la forme de douze variants différents. Une approche multi-échelles est donc préconisée avec trois niveaux représentatifs: macroscopique, mésoscopique (ex-grains bêta), et microscopique (variants alpha et matrice bêta de chaque grain). Différents modèles à champs moyens sont adaptés pour reproduire le comportement mécanique du Ti17 et du Ti5553. Ces modèles impliquent deux transitions d'échelle, et sont basés sur l'homogénéisation des comportements locaux, avec plusieurs manières de représenter les interactions intergranulaires. Les relations entre microstructures et propriétés mécaniques sont également considérées. Les modèles les plus complexes développés dans cette étude vont permettre de simuler l'anisotropie élastique et l'écoulement visqueux de chaque variant alpha (hcp) et de chaque matrice bêta (bcc), en employant la plasticité cristalline avec des écrouissages de type cinématique et isotrope. L'identification des paramètres matériaux est faite à partir d'une vaste base de données expérimentale provenant du projet PROMITI. Pour comprendre le rôle de chaque phase dans le processus de déformation, un calcul EF a également été fait afin de reproduire l'essai de traction sur une très fine éprouvette plate. Dans cette étude, le niveau mésoscopique est explicitement représenté en reprenant fidèlement la géométrie et l'orientation cristallographique de chaque grain bêta transformé. Des comparaisons entre expérience et simulation sont faites à l'échelle macroscopique pour les courbes contrainte - déformation, ainsi qu'au niveau mésoscopique, en considérant les champs de déplacement hors-plan et les champs de déformation. / The purpose of this PhD work is to investigate deformation mechanisms at room temperature in beta-metastable titanium alloys Ti17 and Ti5553. Studied microstructures are composed of beta-grains, in which alpha phase can precipitate under twelve different variants according to Burgers relationship. A multiscale approach is then proposed with three levels to consider: macroscopic, mesoscopic (prior beta grains) and microscopic (alpha variants and beta matrix of each grain). Different mean field models are adapted to depict Ti17 and Ti5553 mechanical behaviors. These models are based on the two scale-transition homogenization of local behaviors, with various ways of representing intergranular interactions. Relationships between microstructures and mechanical properties are also considered. The most advanced micromechanical models developed in this work depict elastic anisotropy and viscoplastic flow of each hcp alpha variant and each bcc beta matrix, using crystal plasticity with kinematic and isotropic hardening. Identification of material parameters is done using a large experimental database from PROMITI project. To understand the role of each phase in the deformation process, a FE computation was also made to reproduce the uniaxial tensile test of a very thick micro-specimen. In this study, the mesoscopic scale is explicitly represented: each beta grain has a real geometry and crystallographic orientation, according to a measured EBSD map in SEM. Comparisons between experiment and the numerical simulation are made on macroscopic stress - strain curves as well as on the mesoscopic scale, by considering out-of-plane displacement and strain fields.

Si un métal est soumis à un chargement cyclique autour d'une contrainte moyenne non nulle, de la déformation plastique peut s'accumuler au cours des cycles, généralement dans la direction de la contrainte moyenne : c'est le phénomène de déformation progressive ou phénomène dit de rochet.<br />Le contexte de cette thèse était l'amélioration de la description de ce phénomène dans les structures métalliques. Pour cela, nous avons choisi d'axer nos efforts sur les modèles macroscopiques phénoménologiques qui décrivent le comportement de matériaux dans des calculs de structure.<br />Comme cela était suggéré dans plusieurs articles récents, une voie d'amélioration de ces modèles était de prendre en compte la distorsion du domaine d'élasticité, phénomène maintes fois observé expérimentalement, mais jusqu'alors négligé par soucis de simplicité. Pour introduire convenablement ce nouvel ingrédient dans la modélisation, nous nous sommes appuyés sur un dialogue entre un modèle micro-macro d'une part (plus pertinent mais aussi plus coûteux en temps de calcul) et le modèle macroscopique à construire d'autre part. Nous avons sû tirer profit des informations données par le modèle micro-macro pour constuire un modèle macroscopique capable de décrire à la fois le phénomène de rochet multiaxial et la distorsion du domaine d'élasticité prévus par le modèle micro-macro, et ce sur une large base d'"essais virtuels". Ensuite, le modèle développé a été identifié et validé avec succès sur plusieurs résultats d'essais complexes obtenus sur un élément de volume d'un matériau réel. Une validation finale du modèle sur un essai non-homogène (de structure) est en cours d'étude.