Au cours des dernières décennies, le contrôle de la corrosion des alliages exposés à des conditions sévères et complexes a été un grand défi pour les applications industrielles. Les coûts de la corrosion sont élevés et les stratégies de prévention sont devenues une demande industrielle importante. Le projet SCAPAC financé par l’ANR, a proposé d’étudier la corrosion lors de deux procédés industriels: le vapo-réformage du méthane et l’incinération des déchets ménagers. Bien que les conditions de fonctionnement de ces deux procédés soient différentes, les approches de modélisation peuvent être similaires. Dans le procédé de vapo-réformage du méthane, les composants métalliques sont soumis à la corrosion par « metal dusting », qui est une forme d’endommagement catastrophique qui affecte les alliages exposés à des températures élevées (400-800 °C) et des atmosphères sursaturées en carbone. De même, les composants métalliques des incinérateurs de déchets qui sont exposés à des atmosphères de combustion sont soumis à la corrosion à haute température sous dépôts de cendres. Le « metal dusting » est un phénomène critique qui a mené à des pertes matérielles importantes et à l’arrêt d’installations industrielles pendant les 50 dernières années. Les mécanismes de cette dégradation ont été identifiés et sont disponibles dans la littérature. Cependant, l'effet de certains paramètres des procédés ne sont pas encore bien compris et nécessitent des compléments d'études. En ce qui concerne la corrosion à haute température, les mécanismes sont bien documentés et une quantité considérable de travaux ont été publiés au cours des dernières décennies. De nombreux matériaux et revêtements ont été développés. Cependant, la performance des matériaux dans des environnements différents n'est pas assez bien comprise pour créer des modèles de prédiction de durée de vie. Une revue bibliographique de ces deux domaines a révélé qu’il existait des approches de modélisation. Néanmoins, il n'y a pas actuellement de modèle prédictifs fiables de durée de vie qui soit disponible dans la littérature pour les alliages commerciaux, et pour une gamme étendue de conditions expérimentales. La présente étude présente une méthodologie pour développer des modèles statistiques de prévision de durée de vie. Il s’agit d’évaluer la performance de matériaux soumis au « metal dusting » et à la corrosion à haute température sous dépôt. Deux bases de données ont été construites pour intégrer les résultats expérimentaux du projet SCAPAC, aussi bien que résultats de la littérature. Ceci afin d’avoir suffisant des données pour la modélisation. Ces bases de données ont permis d'analyser plus de 4000 vitesses de corrosion à l’aide de méthodes statistiques appliquées à différents scénarios. La méthodologie de l’Analyse des Composantes Principales (ACP) a été utilisée pour identifier les paramètres clés des mécanismes de corrosion, qui ont été ensuite utilisés pour construire des modèles de prédiction de durée de vie par Régression Linéaire Multiple (RLM). Pour la corrosion à haute température, trois modèles ont été obtenus dans le scénario de gradient thermique pour trois familles d'alliages: des aciers ferritiques, des alliages austénitiques à base de fer et nickel et des alliages à base de nickel, en montrant des résultats encourageants. Pour la corrosion par « metal dusting », deux modèles ont été obtenus pour expliquer le temps d'incubation et la cinétique croissance de profondeur de piqures, avec des résultats satisfaisants. Les modèles statistiques dans les deux cas ont été comparés avec deux résultats expérimentaux et théoriques montrant un bon accord, qui permet l'évaluation de la durée de vie des matériaux dans les conditions définies. / Over the last decades, the corrosion control of alloys exposed to severe and complex conditions in industrial applications has been a great challenge. Currently, corrosion costs are increasing and preventive strategies have become an important industrial demand. The SCAPAC project funded by the French National Research Agency has proposed to study the corrosion for two separate processes: Steam Methane Reforming (SMR) and Waste to Energy (WtE). Although the operating conditions of both processes are different, the modeling approaches can be similar. Metallic components in the SMR process are subjected to metal dusting corrosion, which is a catastrophic form of damage that affects alloys exposed to highly carburising gases (aC>1) at high temperatures (400–800 °C).[1]. Likewise, metallic components in the Waste to Energy (WtE) process are subjected to high temperature corrosion under deposit that takes place in equipment exposed to atmospheres with high content of corrosive products of combustion. Metal dusting corrosion is considered as a critical phenomenon that has led to worldwide material loss for 50 years. A basic understanding of the degradation mechanisms is available. However, the effect of some process parameters is still not well understood in current literature and requires further study. Otherwise for high temperature corrosion, a considerable amount of literature has been published over the last few decades and the mechanisms are well documented. Also many materials and coatings have been developed. However, the material performance in different environments has not been sufficiently well understood to define suitable criteria for lifetime prediction models regarding operating conditions, due to the high complexity of the corrosion phenomena involved. Literature research in both fields revealed modeling approaches in different kinds of complex conditions and applications. Nevertheless, there are no lifetime models currently available in the open literature for commercial materials that consider a wide range of conditions and the relative weight of the variables involved in the corrosion processes. This dissertation presents a methodology to develop lifetime prediction models to evaluate materials performance under metal dusting and high-temperature corrosion conditions. Two databases were created to integrate experimental results from the SCAPAC project, as well as results from literature to enable sufficient amount of data for modeling. The databases allowed analyzing approximately 4000 corrosion rates by different statistical methods over different scenarios. The Principal Component Analysis (PCA) methodology was performed to identify the key parameters to create lifetime prediction models using Multiple Linear Regressions (MLR). For high-temperature corrosion, three models were obtained in the thermal gradient scenario for three families of alloys: low alloyed steels, Fe/Ni-based high temperature alloys and Ni-based alloys, showing agreeable results. For metal dusting corrosion, two models were obtained to explain the incubation times and the kinetic of pit depth growing, showing satisfactory results. The statistical models in both cases were compared with experimental and theoretical results showing good agreement with experimental findings, which allows performing the lifetime assessment of materials under defined conditions.

Le travail présenté ici a pour but d’évaluer l’influence de surcharges incidentelles sur le comportement en fatigue de tôles en acier soudées par points et destinées à une application automobile. Une campagne d’essais expérimentale sur éprouvettes a permis d’établir les courbes effort – durée de vie de trois nuances d’acier soudées par point et soumis à des sollicitations de traction-cisaillement soit à amplitude constante (courbe de référence), soit avec des sollicitations incidentelles survenant à raison d’un cycle de surcharge pour 100 cycles appliqués. Les éprouvettes utilisées sont constituées de deux rectangles de tôle assemblés par un point soudé réalisé par un soudage par résistance. Deux rapports de surcharge, 1,4 et 2,3, sont testés et analysés. L’ensemble des cycles de tous les chargements présente le rapport de charge de 0,1 (traction ondulée). Pour deux nuances d’acier, les surcharges périodiques sont bénéfiques à la tenue en fatigue, ils permettent d’augmenter sensiblement la durée de vie. Pour la troisième nuance d’acier en revanche, l’effet enregistré est un affaissement très marqué des propriétés de fatigue. Deux types de ruine par fatigue sont observés, l’un par fissuration des tôles au droit du congé de raccordement du noyau fondu du point soudé sur la tôle, du côté de la zone en traction. L’autre se traduit par un cisaillement du noyau fondu dans le plan de sa section droite minimale et ne se produit qu’à haut niveau d’effort appliqué. Ces calculs par Eléments finis ont mis en évidence des états de contraintes multiaxiaux, principalement de traction et de cisaillement dans les zones expérimentales d’amorçage et de fissuration des éprouvettes. Il est observé de façon très claire une prépondérance de la contrainte de traction là où s’amorce la fissure de fatigue conduisant à la ruine de l’éprouvette par fissuration complète d’une des deux tôles, et une prépondérance tout aussi évidente de la contrainte de cisaillement dans la section minimale du noyau fondu du point soudé où se produit dans certains cas la rupture du point soudé par cisaillement. Les calculs effectués corroborent donc très bien les observations expérimentales. L’utilisation de nouvelles lois d’endommagement basées sur un cumul non linéaire du dommage, dont une qui a été proposée au laboratoire, conduit à une prévision des durées de vie en bon accord avec l’expérimentation alors que la loi de Miner demeure pour sa part très éloignée des résultats expérimentaux. / The objective of this work is to evaluate the influence of incidental overloads on the fatigue behavior of steel plates welded by points and aimed for automobile application. An experimental test campaign on specimens had allowed the establishment of effort curves – life cycle of three types of steel welded by points and subjected to tensile-shear efforts under constant amplitude (reference curve), and with incidental overloads happening once (overloaded cycle) for 100 applied cycles. Specimens used in the test are made of two rectangle plates joined by a welded point and done by resistance welding. Two overloads ratio, 1,4 and 2,3 were tested and analyzed. The overall overloading cycle presents the ratio of 0,1 (undulated tensile effort). For two out of three steel types, the periodicals overloading are benefit in term of fatigue resisting, their life duration has been slightly improved. The third steel type has in contrary showed observable deterioration of fatigue properties.Two types of ruin by fatigue have been observed. The first one shows cracking of plates on the right axle journal fillet of the melted nucleus of the welded point on the plate, in the tensile zone side. The second is showed by a shearing of the melted nucleus in the plan of its minimal right “section” and this happens at a high level of applied effort. Calculation done using Finite Elements method has evidently showed states of multiaxial stresses essentially tensile stress and shearing stress in the experimental areas of starting and cracking of specimens. It is clearly observed a mainly dominant tensile stress where the fatigue cracking starts leading to the ruin of the specimen by the complete cracking of one of the two plates, and also evidently a mainly dominant shearing stress in the minimal section of the melted nucleus of welded point, where in some case the rupture by shearing of the welded point is observed. The calculations done are then in total agreement with the experimental observations. The use of new damage laws, which one has been proposed in the laboratory based on a nonlinear cumulating of damage, leads to a forecasting of life duration in accordance with experimentation while the Miner law results stays far away from the experimental results.

Le travail présenté ici a pour but d'évaluer l'influence de surcharges incidentelles sur le comportement en fatigue de tôles en acier soudées par points et destinées à une application automobile. Une campagne d'essais expérimentale sur éprouvettes a permis d'établir les courbes effort - durée de vie de trois nuances d'acier soudées par point et soumis à des sollicitations de traction-cisaillement soit à amplitude constante (courbe de référence), soit avec des sollicitations incidentelles survenant à raison d'un cycle de surcharge pour 100 cycles appliqués. Les éprouvettes utilisées sont constituées de deux rectangles de tôle assemblés par un point soudé réalisé par un soudage par résistance. Deux rapports de surcharge, 1,4 et 2,3, sont testés et analysés. L'ensemble des cycles de tous les chargements présente le rapport de charge de 0,1 (traction ondulée). Pour deux nuances d'acier, les surcharges périodiques sont bénéfiques à la tenue en fatigue, ils permettent d'augmenter sensiblement la durée de vie. Pour la troisième nuance d'acier en revanche, l'effet enregistré est un affaissement très marqué des propriétés de fatigue. Deux types de ruine par fatigue sont observés, l'un par fissuration des tôles au droit du congé de raccordement du noyau fondu du point soudé sur la tôle, du côté de la zone en traction. L'autre se traduit par un cisaillement du noyau fondu dans le plan de sa section droite minimale et ne se produit qu'à haut niveau d'effort appliqué. Ces calculs par Eléments finis ont mis en évidence des états de contraintes multiaxiaux, principalement de traction et de cisaillement dans les zones expérimentales d'amorçage et de fissuration des éprouvettes. Il est observé de façon très claire une prépondérance de la contrainte de traction là où s'amorce la fissure de fatigue conduisant à la ruine de l'éprouvette par fissuration complète d'une des deux tôles, et une prépondérance tout aussi évidente de la contrainte de cisaillement dans la section minimale du noyau fondu du point soudé où se produit dans certains cas la rupture du point soudé par cisaillement. Les calculs effectués corroborent donc très bien les observations expérimentales. L'utilisation de nouvelles lois d'endommagement basées sur un cumul non linéaire du dommage, dont une qui a été proposée au laboratoire, conduit à une prévision des durées de vie en bon accord avec l'expérimentation alors que la loi de Miner demeure pour sa part très éloignée des résultats expérimentaux.

Les systèmes d’imagerie médicale, principalement les systèmes à rayons X, sont devenus incontournables dans le diagnostic et le traitement des maladies complexes. Le générateur à rayons X fait partie des sous-systèmes critiques d’un système à rayons X. La technologie des générateurs à rayons X se complexifie et les contraintes vues par les composants augmentent. L’évaluation de la fiabilité du générateur à rayons X est par conséquent nécessaire afin d’optimiser la durée de vie de ce dernier. Dans ces travaux de thèse, une méthodologie d’évaluation de la fiabilité d’un générateur à rayons X est proposée. La méthodologie repose sur l’évaluation de la fiabilité allant du composant au système. Des essais de vieillissement sont d’abord réalisés au niveau des composants critiques du générateur afin d’identifier les mécanismes de défaillance et de construire les courbes de durée de vie permettant d’effectuer une prévision de fiabilité. Les paramètres du recueil de fiabilité FIDES ont aussi été utilisés pour construire les courbes de durée de vie des composants critiques. Une méthode de prévision de la fiabilité basée sur l’hypothèse du dommage cumulé avec la règle de Miner est proposée pour évaluer la durée de vie des composants critiques sous contraintes thermomécaniques. Cette méthode utilise les règles de comptage rainflow pour obtenir une distribution des différences de température vues par les composants critiques. Une association de fiabilité permet enfin d’estimer la durée de vie de chaque sous système du générateur à rayons X à travers ses composants critiques. / Medical imaging systems, mainly X-rays imaging systems, have become essential in the diagnosis and treatment of complex diseases. X-rays generator is one of the critical subsystems of a medical system. Its technology became more complex and constraints seen by the components increase. An assessment of X-rays generator reliability is therefore necessary to optimize its lifetime. In this thesis, a reliability assessment method of an X-rays generator is proposed. The methodology is based on the assessment of the reliability from component to system. Aging tests are first performed for X-rays generator critical components in order to identify failure mechanisms and build lifetime curves for performing reliability prediction. FIDES guide parameters were also used to construct critical components lifetime curves. A reliability prediction method based on the assumption of cumulative damage with Miner's rule is proposed to evaluate critical components lifetime under thermomechanical stresses. This method uses rainflow counting rules for the temperature cycles distribution of critical components. A reliability block diagram is finally used to estimate the lifetime of each X-ray generator subsystem through its critical components.