In this work, a constitutive theory is developed, within the context of continuum mechanics, to describe the creep deformation of single crystal superalloys. The con- stitutive model that is developed here is based on the fact that as bodies deform the stress free state that corresponds to the current configuration (referred to as the "natural configuration", i.e., the configuration that the body would attain on the removal of the external stimuli) evolves. It is assumed that the material possesses an infinity of natural (or stress-free) configurations, the underlying natural configuration of the body changing during the deformation process, with the response of the body being elastic from these evolving natural configurations. It is also assumed that the evolution of the natural configurations is determined by the tendency of the body to undergo a process that maximizes the rate of dissipation. Central to the theory is the prescription of the forms for the stored energy and rate of dissipation functions. The stored energy reflects the fact that the elastic response exhibits cubic symmetry. Consistent with experiments, the elastic response from the natural configuration is assumed to be linearly elastic and the model also takes into account the fact that the symmetry of single crystals does not change with inelastic deformation. An ap- propriate form for the inelastic stored energy (the energy that is `trapped' within dislocation networks) is also utilized based on simple ideas of dislocation motion. In lieu of the absence of any experimental data to corroborate with, the form for the inelastic stored energy is assumed to be isotropic. The rate of dissipation function is chosen to be anisotropic, in that it reflects invariance to transformations that belong to the cubic symmetry group. The rate of dissipation is assumed to be proportional to the density of mobile dislocations and another term that takes into account the damage accumulation due to creep. The model developed herein is used to simulate uniaxial creep of <001>, <111> and <011> oriented single crystal nickel based su- peralloys for a range of temperatures. The predictions of the theory match well with the available experimental data for CMSX-4. The constitutive model is also imple- mented as a User Material (UMAT) in commercial finite element software ABAQUS to enable the analysis of more general problems. The UMAT is validated for simple problems and the numerical scheme based on an implicit backward difference formula works well in that the results match closely with those obtained using a semi-inverse approach.

Microstructure changes that occur during the deformation and heat treatments involved in wrought processing of metals are of central importance in achieving the desired properties or performance characteristics in the finished products. However, thorough understanding of the evolution of microstructure during thermo-mechanical processing of metallic materials is largely hampered by lack of methods for characterizing reliably their local (anisotropic) properties at the sub-micron length scales. Recently, remarkable advances in nanoindentation data analysis techniques have been made which now make it possible to obtain quantitative information about the local mechanical properties of constituent individual grains in polycrystalline metallic samples. In this work, a novel approach that combines mechanical property information obtained from spherical nanoindentation with the complementary structure information measured locally at the indentation site, using Electron Backscattered Diffraction (EBSD), is used to systematically investigate the local structure-property relationships in fcc metals. This work is focused on obtaining insights into the changes in local stored energies of polycrystalline metallic samples as a function of their crystal orientation at increasing deformation levels. Furthermore, using the same approach, the evolution of mechanical properties in the grain boundary regions in these samples is studied in order to better understand the role of such interfaces during deformation and recrystallization processes. The findings provide valuable information regarding development of stored energy gradients in polycrystalline materials during macroscopic deformation.

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 / Strain localization and damage criteria of materials and structures are commonly based on a dissipative framework and this work investigates the thermomechanical couplings accompanying the deformation micromechanisms. It is partly based on experimental data obtained previously in the laboratory by Bodelot for a A316L austenitic stainless steel polycrystal. This work takes profit of a multi-technique approach combining, in particular, in-situ kinematic and thermal fields measurements as well as Orientation Imaging Microscopy, profilometry and surface micrography. Different tools have been developed (1) to automatically identify the activated slip systems directly from the surface micrography, (2) to approach the surface emissivity field allowing an accurate determination of the thermal fields with a 30 mK precision, (3) to project raw experimental fields on the microstructure and (4) to allow the modeling of the polycrystal aggregate and its real thermomechanical boundary conditions by using a crystal plasticity framework within the Abaqus FE code. It has notably been shown that the temperature variations provides an easy and accurate estimation of the macroscopic yield stress at the specimen scale as well as the determination of the Critical Resolved Shear Stress at the intragranular scale. In addition, the local kinematic measurements allow the in-situ identification of the activated slip systems. Experimental and numerical energy balances have been conducted and a great influence of the polycrystalline heterogeneity on the energy storage mechanism has been underlined. The proposed methods would help improving physical based dissipative criteria for damage analysis

Les substrats métalliques ont été élaborés par des traitements thermomécaniques (laminages et recuits)sur des alliages Fe48%Ni et Ni5%W dans le but d'obtenir une hypertexture Cube indispensable à l'épitaxie de l'YBaCuO et du silicium dans la fabrication des câbles supraconducteurs et des cellules photovoltaïques à couches minces. Le rôle des éléments d'alliages tels que le soufre et le niobium sur la recristallisation et la formation de l'hypertexture Cube a été étudié dans le Fe48%Ni. Il a été montré que l'ajout du soufre favorise le développement de la texture Cube alors que l'ajout du niobium empêche la formation de la texture Cube. Le soufre se combine avec le Mn pour former les précipités MnS qui contribuent à l'augmentation de la différence d'énergie stockée entre l'orientation Cube et les orientations de laminage à froid (ECube/autres) quand le soufre augmente. Ce gap d'énergie explique explique l'acuité de la texture Cube avec l'ajout du soufre. Contrairement au soufre, l'ajout du niobium empêche la formation de la texture Cube, ce résultat s'explique par le fait la différence d'énergie stockée entre l'orientation Cube et les orientations de laminage diminue avec l'ajout du niobium. Pour expliques tous ces résultats, les analyses de microstructures et textures ont été faites par la technique EBSD et l'énergie stockée a été estimée à partir de la diffraction des neutrons sur les états déformés. / Substrate tapes were prepared by cold rolling and annealing of a Fe48%Ni and Ni5%W alloys in order to obtain Sharp Cube {100}<001> oriented substrate for photovoltaic thin films and superconductor cables in particular.The effect of microalloying elements sulfur and niobium on recrystallization and sharp Cube formation was studied in Fe48%Ni. It was shown that the addition of sulfur promotes the formation of Cube grains while the addition of niobium prevents the Cube grains formation. Regarding sulfur, it combines with manganese to form the MnS precipitates wich increases the stored energy difference between Cube component and others cold rolled components ECube/other when sulfur is added. This stored energy difference explains the sharpness of the Cube texture when sulfur is added. On the contrary the niobium microalloying element addition prevents the formation of Cube grains. This could be explained by the fact that stored energy of cold-rolled components decreases with the addition of niobium and thus decreases Cube grains fraction when niobium is added. In order to explain these results, the development of Cube texture during recrystallization has been investigated in detail by EBSD, furthermore, the effect of stored energy has been studied by carrying out neutron diffraction measurements on the deformed states.

Dans cette thèse, nous proposons une analyse globale multi-échelles de la fatigue à faible nombre de cycles des matériaux à mémoire de forme (MMF). Dans un premier temps, une large campagne d’essais a été menée pour différents chargements thermomécaniques comprenant des tests de fatigue sous contrainte et déformation imposée et pour différentes fréquences de chargement. A partir des résultats des essais, un critère de fatigue, basé sur l’énergie de déformation, a été développé ; on montre que l’énergie de déformation est un paramètre pertinent pour prédire la fatigue des MMF en tenant compte du couplage thermomécanique et du type de chargement : contrainte ou déformation imposée. Ensuite, en prenant appui sur la répartition de l’énergie de l’hystérésis en dissipation et énergie stockée, on avance une interprétation physique du mécanisme de la fatigue des MMF. Dans la troisième partie, on propose une modélisation multi-échelles de l’initiation des fissures de fatigue dans les MMF à partir de la notion de plasticité de transformation (PlTr). Dans ce cadre, on montre que la fatigue de MMF est contrôlée par la (PlTr) et que la température maximale lors de la transformation de phase est le paramètre à retenir pour prédire la rupture par fatigue des MMF. Le modèle permet également de prédire le lieu d’initiation des premières fissures de fatigue. Enfin, un procédé – fondé sur l’«éducation» des MMF – permettant d’améliorer la résistance à la fatigue est proposé. / The thesis proposes a multi-scale comprehensive analysis of low cycle fatigue of shape memory alloys (SMAs). First, low cycle fatigue of SMAs is experimentally investigated; comprehensive tensile-tensile fatigue tests under both stress and strain controlled loadings at different frequencies are carried out and results are discussed. Second, a new strain energy-based fatigue criterion is developed; it is shown that the use of total strain energy is a relevant parameter to predict fatigue lifetime of SMAs for different thermomechanical conditions and under different types (strain-control or stress-control) loadings. A physical interpretation of the mechanism related to the low-cycle fatigue of SMAs is then provided based on the conversion of hysteresis work into dissipation and stored energy. Third, fatigue crack initiation during cyclic stress-induced phase transformation is modeled based on transformation induced plasticity (TRIP); it is shown that the maximum temperature during the cyclic loading is a relevant indicator of the fatigue of SMA. Furthermore, the effect of the macroscopic mechanical load on the the fatigue lifetime is addressed as well as the spatial location of crack initiation. Finally, a mechanical training process that allows enhancing resistance to low cycle fatigue of SMAs is proposed.

Les propriétés magnétiques et mécaniques des alliages Fe-49%Co-2%V et Fe-27%Co, utilisés respectivement dans les générateurs et les transformateurs électriques de l’aéronef, ont été étudiées en fonction des traitements thermiques. Concernant le Fe-49%Co-2%V, les résultats expérimentaux ont montré que les propriétés magnétiques et mécaniques dépendent de la distance entre les interfaces qui séparent les cristallites présents dans la microstructure et ceci quel que soit le taux de recristallisation. Le champ coercitif dépend linéairement de l’inverse de la distance entre ces interfaces et la limite d’élasticité suit une loi de Hall et Petch modifiée pour tenir compte des sous-joints. De plus, une relation linéaire entre la contrainte de friction de la loi de Hall et Petch avec le taux d’ordre à grande distance mesuré par diffraction de neutrons a été établie. Finalement, en s’appuyant sur l’expérience, une loi polynomiale de degré deux reliant les pertes magnétiques et la limite d’élasticité a été proposée. Concernant l’alliage Fe-27%Co, un suivi de l’évolution de la composante de Goss {011}<100> pendant le processus de fabrication a été réalisé. Cette composante est recherchée car favorable pour les propriétés magnétiques. Il a été trouvé que l’origine de cette texture est intimement liée au cisaillement développé lors du laminage à chaud. De plus, le développement de la texture {111}<112> de déformation à froid a été étudié. Le système de glissement {110}<111>, majoritairement activé, a été mis en évidence via un couplage d’analyses EBSD et de simulations VPSC. Au cours de la déformation plastique, les composantes de Goss et Cube tournée ({001}<110>) tournent afin de positionner leur plan {110} pour le glissement facile. Ces rotations, respectivement de 35° et 55° autour de la direction transverse, permettent de former la composante {111}<112>. / Magnetic and mechanical properties of Fe-49%Co-2%V and Fe-27%Co alloys, used in electric generators and transformers of the aircraft, have been investigated as a function of heat treatments. As regards to Fe-49%Co-2%V alloy, experimental results have shown that the magnetic and mechanical properties depend on the boundary spacing, which separate the microstructure crystallites, whatever the recrystallized fraction. The coercivity depends linearly on the inverse of the boundary spacing and the yield strength follows a modified Hall Petch relationship by taking into account the sub-grain size. Moreover, a linear relationship between the frictional stress and the long range order degree measured by neutron diffraction has been established. Finally, based on the experiment, a square polynomial degree relationship between the magnetic losses and the yield stress has been proposed. As respect to the Fe-27%Co alloy, the evolution of the {011}<100> Goss component during the manufacturing process has been investigated. This sought component is favorable for the magnetic properties of the sheet. It has been found that the origin of this texture is related to its development by shearing during hot rolling. Moreover, the development of the {111}<112> cold deformation texture was studied. It has been established by coupling EBSD analysis and simulation based on VPSC model that the {110}<111> system is the predominant active slip system during the plastic deformation. During the deformation, the Goss and the rotated Cube ({001}<110>) components, rotate of 35° and 55° respectively with regard to the transverse direction. That happens in order to place the active slip plane {110} in the favorable position for gliding to develop the {111}<112> component.