Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le rôle de l'énergie stockée dans le processus de recristallisation est mal connu. D'une part, cet énergie est difficile à caractériser expérimentalement, de fait de sa faible magnitude, hétérogénéité et de son caractère irréversible. D'autre part, la complexité phénoménologique du processus ne permet pas de déterminer facilement l'effet de chacun des facteurs physiques. Nous nous sommes attaché dans cette thèse à mettre en place une technique de mesure précise de cette énergie et une démarche expérimentale permettant d'isoler son rôle sur les mécanismes de recristallisation. Ainsi, nous avons utilisé la technique de diffraction monochromatique à haute résolution pour enregistrer les profils de diffraction de mono et multicristaux de cuivre laminés à environ 35%. La résolution physique du diffractomètre, inférieure à 10-4, permet d'éviter la déconvolution hasardeuse du spectre initial d'émission. Les modèles récents d'analyse de profils fournissent, à partir de la transformée de Fourrier, la densité de dislocations ainsi que le rayon d'écrantage extérieur, c'est-à-dire les deux facteurs nécessaires pour le calcul de l'énergie stockée. A taux de laminage égal, nous avons observé une forte variation de la densité de dislocations (entre 7 à 121014 m-2) en fonction de l'orientation cristallographique, alors que le rayon d'écrantage reste sensiblement le même. Une fois l'énergie stockée caractérisée, nous avons étudié son effet sur la recristallisation statique au moyen de recuits isochrones de 15 min, visant à déceler la température critique de recristallisation. A cette température, par définition, de nouveaux grains recristallisés doivent être présents, sans pour autant envahir tout l'échantillon. Nos résultats révèlent la forte influence de l'énergie stockée sur cette température : une augmentation de 47 % de l'énergie entraîne une chute de 210° de température critique. Par analyse des rotations cristallographiques, nous avons aussi identifié le maclage comme mécanisme principal de génération de nouvelles orientations.

Les propriétés des matériaux métalliques sont très liées à leurs caractéristiques microstructurales. Par exemple il est bien connu que la taille de grains joue sur la limite élastique du matériau ainsi que sur ses capacités d'écrouissage. Ainsi, la compréhension et la modélisation de l'évolution de la microstructure d'un métal pendant un traitement thermomécanique est d'une importance primordiale afin de prédire finement son comportement ainsi que ses propriétés finales. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur la modélisation, à l'échelle d'un agrégat polycristallin, de la plasticité cristalline, de la recristallisation statique et de la croissance des grains dans un contexte de mobilité et d'énergie d'interface isotrope. Un modèle à champ complet dans un cadre éléments finis (EF) est proposé. Les grains sont représentés grâce à un formalisme level-set. L'étude EF développée peut être divisée en trois grandes parties: la génération statistique de microstructures digitales, la modélisation de la plasticité cristalline et la modélisation de la migration des joins de grains en régime de recristallisation statique. Concernant la génération statistique des microstructures digitales, une étude comparative entre deux méthodes de génération (Voronoï et Laguerre-Voronoï) a été réalisée. La capacité de la deuxième approche à respecter une microstructure basée sur des données expérimentales est mise en valeur en 2D et en 3D. Dans une deuxième étape, la plasticité cristalline des matériaux métalliques est étudiée. Deux modèles d'écrouissage ont été implémentés et validés : un premier modèle considérant uniquement les densités de dislocations totales, et un deuxième modèle différenciant les dislocations statistiquement stockées (SSDs) des dislocations géométriquement nécessaires (GNDs). Afin de valider l'implémentation de ces deux modèles issus de la littérature deux cas ont été étudiés : le premier correspond à l'étude à chaud d'un essai de compression plane d'un acier 304L, et le deuxième correspond à l'étude d'un essai à froid de compression simple d'un oligocristal de tantale composé de 6 grains. Les résultats numériques obtenus sont comparés avec les données expérimentales des deux essais. La migration des joints de grains est étudiée dans le contexte des régimes de recristallisation statique et de croissance de grains. Par rapport aux travaux pre-existants dans un cadre level-set, l'accent est mis sur la prise en compte des forces capillaires. La croissance des grains pure est en effet développée dans le formalisme éléments finis/level set considéré, et des validations à partir de résultats analytiques connus sont présentées. De plus, un travail d'analyse de modèles de croissance des grains à champ moyen existant dans la littérature est réalisé. Deux modèles en particuliers sont étudiés : celui de Burke et Turnbull et celui de Hillert/Abbruzzese. En comparant ces modèles avec les résultats obtenus par l'approche en champ complet développée, il est mis en évidence que le modèle simple de Burke et Turnbull n'est pas approprié pour décrire la croissance de grains pour tout type de distribution initiale de taille de grains. La recristallisation statique est ensuite abordée, avec une prise en compte des deux forces motrices liées (i) aux gradients d'énergies stockées sous la forme de dislocations, et (ii) aux effets capillaires. L'influence des effets de capillarité apparaît comme fortement liée à la distribution spatiale des nouveaux germes. Finalement, les résultats des simulations réalisées en plasticité cristalline sont utilisés comme données d'entrée du modèle de recristallisation statique développé. La comparaison des prédictions obtenues comparativement aux résultats expérimentaux sur 304L permet d'illustrer la pertinence d'une approche de type SSD/GND afin de prédire les sites de germination potentiels.

Les alliages ODS (Oxides Dispersion Strengthened), sont principalement étudiés pour leur capacité à répondre favorablement au cahier des charges de la fonction de gainage combustible pour les réacteurs nucléaire de type RNR-Na (Réacteur à Neutrons Rapides à caloporteur sodium). Elaborés par métallurgie des poudres, mécanosynthèse puis extrusion, ils affichent des propriétés mécaniques, et notamment en fluage, extrêmement intéressantes. Néanmoins, la voie élaboration utilisée induit une forte anisotropie microstructurale. Cette anisotropie se retrouve au niveau de leurs propriétés mécaniques et conduit à une fragilité dans le sens de sollicitation transverse. Le but de cette thèse est d'étudier l'évolution microstructurale de ces matériaux. Les aciers ODS présentent des microstructures ultra fines en termes de grains, de précipités, et de formation d'amas qui conduisent à de grandes difficultés pour en obtenir la recristallisation. De plus, les microstructures obtenues présentent souvent une recristallisation avec croissance anormale. De telles évolutions demandent des investigations à très fine échelle et ont été relativement peu examinées dans le domaine des alliages ODS. Il faut en effet être capable d'une étude structurale la plus quantitative possible de la microstructure des nanograins, ainsi que de la précipitation afin d'étudier les mécanismes d'interaction précipitation / joints de grain. Ceci n'est possible que par un couplage de différentes méthodes : la microscopie électronique en transmission (en particulier avec l'utilisation des outils récemment développés pour l'étude de la nanotexturation, i.e. ACOM-TEM); la diffusion centrale des neutrons ou des rayons X; et enfin la sonde atomique tomographique, à la fois pour apporter les informations sur la morphologie et la chimie des amas et nanoprécipités mais surtout sur la composition chimique aux joints de grains. A partir de l'identification des mécanismes contrôlant la croissance anormale, une modélisation permettant de prédire son apparition dans la microstructure est confrontée à cette caractérisation microstructurale poussée. Cette modélisation prête une attention particulière à la migration des joints de grains couplée à la diffusion et effets d'ancrage préférentiel des joints triples par les précipités ainsi qu'à l'énergie motrice stockée sous forme de densité de dislocation. / Oxide Dispersion Steels (ODS) alloys are mainly studied for their ability to fulfil the technical specifications required for Sodium Fast Reactor (SFR) fuel cladding application. Their processing involves powder metallurgy, mechanical alloying and extrusion. Therefore, despite their interesting mechanical creep properties, the extrusion processing involves a high microstructural anisotropy. These particular feature leads to poor mechanical properties in the transverse direction which are worsen by the occurrence of abnormal grain growth. Unfortunately, since internal pressure increases in the tube with the accumulation of gas fission products, the major stress component is precisely applied in the transverse direction. As a result, the material faces a critical risk of failure and control of the microstructure is a key issue. The aim of this thesis is to study the microstructural evolution of ODS ferritic steels. ODS ferritic steels show ultrafine microstructures in terms both grains and precipitates which made the recrystallization very difficult and allow for abnormal grain growth. To observe such evolutions, fine scale microstructure characterization are necessary. This is only possible by coupling different characterization methods: transmission electronic microscopy (in particular with the new developed tools for nanotexturation studies, i.e. ACOM-TEM); neutron and X-ray small angle scattering; and atomic probe tomography. Based on the mechanisms that lead to and control the abnormal grain growth, a model to predict the occurrence of abnormal grain growth is confronted to the experimental results. This model that takes a particular attention to the dislocation stored energy effect to adequately reproduce the observed characterization results.

Les objectifs de cette thèse sont d’établir les corrélations entre l’histoire thermomécanique, la microstructure et la perméabilité aux ultrasons de l’Udimet 720.La première approche est expérimentale et concerne l’étude de l’influence des paramètres thermomécaniques de mise en forme (température, vitesse de déformation et taux de déformation) sur l’évolution microstructurale, et l’identification des mécanismes de recristallisation associés. En parallèle, une modélisation mésoscopique du forgeage a été développée en couplant un modèle cristallin de déformation de type éléments finis et un modèle de recristallisation basé sur la méthode des automates cellulaires, afin de prévoir l’évolution microstructurale en fonction de la microstructure initiale et des conditions thermomécaniques.Une dernière partie traite de l’identification des paramètres microstructuraux néfastes à la perméabilité aux ultrasons, et de la modélisation de la propagation des ultrasons dans un matériau polycristallin pour quantifier l’influence des désorientations et de la taille des grains. / This works deals with the correlations between the thermomechanical process, the microstructure and the permeability to ultrasonic waves of the Udimet 720 superalloy. The first approach is experimental and concerns the influence of the thermomechanical parameters (temperature, strain rate and deformation ratio) on the microstructure evolution. In particular, this study focuses on the identification of recrystallization mechanisms. In parallel, a mesoscopic crystalline modelling of deformation implemented in a finite element code coupled to a recrystallization Cellular Automaton code has been developed and applied to forging processes. The model predicts the evolution of different experimental microstructures as a function of thermomechanical parameters.The last part deals with the identification of unfavorable parameters of the microstructure on the ultrasonic permeation. Moreover a modeling of the ultrasounds propagation in a polycrystalline material is proposed to quantify the effects of the average grain size and the grain misorientation distribution.

Pendant la recristallisation de certains alliages sous faibles contraintes, une accélération de la déformation viscoplastique, liée à la recristallisation est observée. Ce phénomène, connu en anglais comme « Recrystallisation-Induced Plasticity » (RIP), est susceptible d'intervenir dans de nombreux procédés de mise en forme à chaud. Pourtant, les mécanismes physiques ne sont pas clairement établis et aucune loi de comportement n'est disponible. Cette étude a comme objectifs principaux la compréhension de ce phénomène et le développement des cadres constitutifs de modélisation. Pour cela, ce travail de thèse s'appuie (i) sur les données expérimentales obtenues sur des alliages Fe-Ni, sollicités sous différentes conditions après écrouissage à froid ou à chaud, et (ii) sur les caractéristiques microstructurales observées par EBSD et MET. Les résultats expérimentaux suggèrent que le comportement viscoplastique des grains recristallisés et leur fraction volumique jouent des rôles importants. Afin de quantifier leurs impacts, deux lois de comportement ont été développées : (i) en traitant la microstructure comme composée de deux "phases" (i.e. grains écrouis et grains recristallisés) et en homogénéisant le comportement du matériau en fonction des propriétés de chaque phase, et (ii) en traitant la microstructure comme celle d'un matériau homogène qui évolue selon les lois évolutives des variables internes associées aux obstacles ainsi qu'à la fraction volumique des grains recristallisés. Les résultats numériques confirment que la déformation viscoplastique par dislocations, couplée avec une réduction de la densité de dislocations, joue un rôle essentiel et rend compte d'environ 70% de la déformation totale. Le travail accompli dans cette thèse apporte des connaissances fondamentales sur le phénomène RIP, ce qui permet d'améliorer le contrôle des dimensions d'un produit lors de sa mise en forme à chaud. / An obvious increase in strain rate is observed during recrystallisation when an alloy is subjected to low stress levels. This phenomenon, known as “Recrystallisation-Induced Plasticity” (RIP), is observed in a number of hot-forming processes. The dominant underlying mechanisms are not yet clear and no constitutive viscoplastic material formulation is available to describe the associated microstructural evolution and mechanical behaviour. This thesis work aims at understanding this phenomenon and developing physics-based models to describe and predict it. In this study, the deformation evolution during recrystallisation is investigated on hot and cold worked Fe-Ni alloys subjected to different relevant temperature-stress conditions. The microstructural characteristics of partially and fully recrystallised materials are first identified through EBSD and TEM observations. The experimental results reveal that deformation accelerations during recrystallisation are mainly associated with the viscoplastic behaviour of recrystallised grains and their evolving volume fraction. Two sets of constitutive equations have been developed to model the RIP phenomenon: (i) one where the material is assumed to be composed of two “phases” (i.e. recrystallised grains and cold-worked grains) and the flow behaviour of the alloy is obtained by homogenising that of each “phase”, and (ii) another where the material is treated as an homogeneous one and where its flow behaviour is assumed to depend on the microstructural “state” described by two internal state variables, namely those associated with strong obstacles and with the recrystallisation volume fraction. The results of this work confirm that a considerable contribution to the deformation enhancement associated with the RIP mechanism arises from viscoplastic deformation by dislocation activity, coupled with a reduction in the dislocation density by recovery processes. This contribution accounts for approximately 70% of the total deformation. It will be shown that this work provides fundamental knowledge to the understanding of the RIP phenomenon which should, in turn, contribute towards improving the control of product dimensioning in hot-forming processes.

Depuis quelques années la demande en gazole dépasse la production des raffineries européennes et inversement pour les essences. L'objectif de cette thèse est de valoriser l'excédent d'essences et de satisfaire la demande en diesel en utilisant le procédé d'oligomérisation des oléfines. Nous nous sommes intéressés à l'oligomérisation du pentène qui, au contact d'un catalyseur solide acide, s'oligomérise en molécules plus lourdes de 10 à 25/30 atomes de carbone. Nous avons choisi les zéolithes et la mordénite en particulier comme catalyseur de la réaction. Afin d'améliorer le transport des molécules aux sites actifs nous avons modifié la texture des mordénites par la création d'un réseau secondaire de mésopores au sein de leurs cristaux, en utilisant deux traitements post-synthèse différents : la dessilication et la recristallisation. La dessilication génère des mésopores intra et inter-cristallins (de 10 nm à 100 nm de diamètre) par dissolution partielle de la zéolithe en présence d'une solution basique. La recristallisation conduit à une mésoporosité organisée et monodispersée en taille (petits mésopores de 4 nm) grâce à l'utilisation d'un agent structurant sous conditions hydrothermiques. Nous avons ainsi obtenu des mordénites micro-mésoporeuses de texture, porosité et acidité différentes en fonction du traitement appliqué. Finalement, après l'élaboration du micro-pilote expérimental, nous avons comparé les performances de nos catalyseurs optimisés de mordénites micro-mésoporeuses à celles des catalyseurs de référence (conversion, stabilité, sélectivité, rendement en oligomères C15-C20+, degré de branchement des produits) afin d'établir les relations structure-acidité-performances catalytiques. Nous avons mis en évidence l'impact positif de l'insertion de mésopores dans le catalyseur sur la conversion, la stabilité et le rendement en oligomères C15-C20+. Une méthodologie de caractérisation du degré de branchement des produits de réaction a également été mise au point pour compléter l'analyse des performances catalytiques. / Recently the demand in diesel has been exceeding the production of European refineries and, inversely for gasoline. The objective of this thesis is to increase the value of the gasoline excess and meet the demand in diesel using the olefin oligomerization process. We focused on the oligomerization of pentene, which can transform into heavier molecules from 10 to 25/30 carbon atoms in contact with a solid acid catalyst . We chose zeolites as catalysts and more specifically mordenite. To improve the molecular transport to the active sites we have modified the mordenite texture by creating a secondary mesoporous framework inside the crystals, using two different post-synthesis treatments: desilication and recrystallization. Desilication treatment generates intra and inter-crystalline mesopores (from 10 nm to 100 nm diameter) by partial dissolution of the zeolite in the presence of a basic solution. Recrystallization creates a well-organized mesoporosity with a uniform diameter (small mesopores of 4 nm) due to the use of an organic template of mesopores under hydrothermal conditions. Starting from the same parent mordenite we obtained micro-mesoporous mordenites with different textures, porosity and acidity properties depending on the treatment. Finally, after the development of the experimental pilot, we compared the performance (conversion, stability, selectivity, yield in oligomers C15-C20+, branching degree of the products) of our optimized catalysts of micro-mesoporous mordenite with some reference catalysts in order to establish relations between structure-acidity and catalytic performance. We highlighted the positive impact of the introduction of mesopores in the catalyst on the conversion, stability and yield in oligomers C15-C20+. A methodology to characterize the branching degree of the products has also been developed for completing the analysis of catalytic performances.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'utilisation des fibres SiC Tyranno SA3 (TSA3) et Hi Nicalon S (HNS) pour le renforcement de composites céramiques dédiées aux applications nucléaires impose l'étude de leur stabilité microstructurale et de leur comportement mécanique sous irradiation. La cinétique d'amorphisation des fibres a été étudiée et comparée à celle d'un matériau modèle, 6H-SiC monocristallin, sans que des différences significatives puissent être observées. La dose seuil d'amorphisation totale a été évaluée à ~0,4 dpa à température ambiante et aucune amorphisation complète n'a pas être obtenue pour des températures d'irradiation supérieures à 200 ºC. Les échantillons amorphes ont ensuite été recuits thermiquement ce qui a conduit, pour des températures élevées, à leur recristallisation mais également à une fissuration et une délamination de la zone irradiée. Ce processus d'endommagement était activé thermiquement avec une énergie d'activation de 1,05 eV. En ce qui concerne le comportement mécanique, le fluage d'irradiation des fibres TSA3 a été étudié en utilisant une machine de traction in situ implantée sur deux plateformes d'irradiation aux ions. On montre que sous irradiation ces fibres se déforment en fonction du temps avec des chargements thermique et mécanique où le fluage thermique est négligeable. Cette déformation est plus élevée pour les faibles températures d'irradiation en raison d'un couplage entre le gonflement et le fluage d'irradiation. Pour des températures voisines de 1000 ºC, le gonflement devient négligeable ce qui permet l'étude spécifique du fluage d'irradiation dont la vitesse de déformation présente une dépendance linéaire au flux d'ions. / The use of Tyranno SA3 (TSA3) and Hi Nicalon S (HNS) SiC fibers as reinforcement for ceramic composites for nuclear applications requires the characterization of its structural stability and mechanical behavior under irradiation. Ion-amorphization kinetics of these fibers have been studied and compared to the model material, i.e. 6H-SiC single crystals, with no significant differences. For all samples, full amorphization threshold dose yields ~0.4 dpa at room temperature and complete amorphization was not achieved for irradiation temperatures over 200 ºC. Successively, ion-amorphized samples have been thermally annealed. It is reported that thermal annealing at high temperatures not only induces the recrystallization of the ion-amorphized samples but also causes cracking and delamination. Cracking is reported to be a thermally driven phenomenon characterized by activation energy of 1.05 eV. Regarding the mechanical irradiation behavior, irradiation creep of TSA3 fibers has been investigated using a tensile device dedicated to in situ tests coupled to two different ion-irradiation lines. It is reported that ion-irradiation (12 MeV C4+ and 92 MeV Xe23+) induces a time-dependent strain under loads where thermal creep is negligible. In addition, irradiation strain is reported to be higher at low irradiation temperatures due to a coupling between irradiation swelling and irradiation creep. At temperatures near 1000 ºC, irradiation swelling is minimized hence allowing the characterization of the irradiation creep. Irradiation creep rate is characterized by a linear correlation between the ion flux and the strain rate and square root dependence with the applied load.

Ce mémoire présente une étude sur la caractérisation des propriétés mécaniques dépendantes du temps par nanoindentation instrumentée à différentes températures.Ce sujet de recherche porte sur l’adaptation des méthodes d’indentation classiques aux problématiques de la caractérisation à hautes températures. Les méthodes développées dans ces travaux ont pour premier objectif d’apporter une meilleure compréhension des phénomènes dépendants du temps et de la température par une approche locale. Le second objectif est d’apporter des éléments de comparaison entre le comportement à l’échelle microscopique et macroscopique.Les méthodes proposées sont principalement fondées sur l’essai de relaxation en indentation. Ses développements et applications aux matériaux polymères et métalliques sont étudiés de manière analytique puis expérimentale. L’étude analytique nous montre que ce type d’essais en indentation peut être directement comparé à un essai uniaxial. Elle montre également que la cinétique de chargement a une grande influence sur la qualité des résultats obtenus en relaxation.L’étude expérimentale proposée, en température, permet d’extraire la sensibilité à la vitesse de déformation ainsi que l’énergie d’activation des phénomènes visqueux. Cependant, la dérive thermique limite la durée des essais – la durée maximum du segment de relaxation reste inférieure à quelques minutes. Une autre étude réalisée à température ambiante ouvre la voie à des durées de caractérisation plus longues. Celle-ci se fonde sur l’équivalence entre aire et raideur de contact pour un matériau homogène. Un maintien de l’aire de contact constante pendant 10 heures est effectué sans signes de dérive.Finalement, l’application de la nanoindentation à hautes températures à la caractérisation in situ des changements microstructuraux pour un alliage d’aluminium est étudiée. Les résultats de l’étude montrent qu’il est possible d’obtenir la cinétique de recristallisation avec un seul échantillon et en un temps limité. / This manuscript presents a study on the mechanical properties’ characterization of time dependent phenomena using instrumented nanoindentation at different temperatures.This research subject treats the development of methods dealing with the adaptation of classical indentation methodologies to high temperature characterizations. Bringing a better understanding of time and temperature dependent phenomena at a local scale is the first aim of the methods developed. The second objective is to compare materials behaviors measured at micro and macro-scale.The proposed methods are based on indentation relaxation tests. Their development and applications to polymers and metals characterization are studied analytically and experimentally. The analytical study shows that the indentation relaxation test is equivalent to the uniaxial one. This study also highlights the great influence of loading kinetics on the measured relaxation behavior.The proposed experimental study in temperature permits the extraction of the strain rate sensitivity and the activation energy of the viscous phenomena. However, thermal drift limits the characterization duration – i.e. the maximum experimental time remains limited to a couple of minutes. Another experimental study configuration, at room temperature, opens the way to longer test durations. It is based on the equivalence of contact area and stiffness for a homogeneous material. With this configuration, we successfully hold the contact area constant for 10 hours without any evidences of drift.Eventually, the high temperature nanoindentation application to in situ microstructural changes characterization of an aluminum alloy is studied. Measurements and limitations are carefully discussed for a better understanding of the studied phenomenon. The results show that the recrystallization kinetics can be successfully described with reduced test duration and samples’ set.