La conception de moteurs aéronautiques plus performants soumet les alliages de titane constitutifs des mâts-réacteurs à des contraintes thermiques et mécaniques plus sévères. Ces matériaux doivent d’une part être qualifiés en termes de tolérance aux dommages. D’autre part, l’exposition prolongée de ces alliages de titane à des températures élevées en service pose la question de leur vieillissement métallurgique. Le dimensionnement et la maintenance de telles aérostructures doit ainsi prendre en compte l’ensemble de ces deux problématiques cruciales.Dans ces travaux, le comportement cyclique ainsi que la résistance à la fissuration par fatigue d’alliages de titane de différentes nuances (TA6V, Ti 6242 et Ti 17) et de différentes microstructures, ont été étudiés en fonction du degré de vieillissement. L’effet du vieillissement se traduit essentiellement par une augmentation des vitesses de propagation à forte valeur du facteur d’intensité de contrainte, à température ambiante. Dans un second temps, une démarche de caractérisation poussée de ce phénomène mettant en œuvre des sollicitations variées, à différentes échelles et associées à des analyses fractographiques a été appliquée. Ceci a permis de proposer un scénario d’endommagement avant et après vieillissement pour l’alliage le plus affecté par l’exposition en température, le Ti 17. Ce scénario montre après vieillissement l’apparition d’un mode d’endommagement « statique » en lien avec un processus de rupture puis décohésion intralamellaire, sans modification notable du comportement cyclique. Enfin, une approche d’équivalence temps-température est proposée pour décrire la cinétique de dégradation des propriétés mécaniques consécutive au vieillissement. / The conception of more efficient aircraft engines induces increased stress and temperature levels on the titanium alloys constitutive of the engine pylon. On the one hand, these materials have to be qualified in terms of damage tolerance. On the other hand, the long term high temperature exposure of these titanium alloys gives also rise to the question of thermal aging and metallurgical stability. Hence, the dimensioning as well as the maintenance of such aerostructures need to be considered in the light of both these critical issues.In the present work, the cyclic behavior as well as the fatigue crack resistance of different titanium alloys (TA6V, Ti 6242 et Ti 17), with various microstructures were studied after different aging conditions. Aging induces mainly an increase in crack growth rates at high values of the stress intensity factor, at room temperature. Subsequently, a thorough characterization procedure of this phenomenon was undertaken,including various types of loadings, at different scales and associated with fractographic analyses. The results allowed to suggest a damage scenario before and after aging, in the case of the alloy most affected by aging: theTi 17 alloy. This scenario shows the occurrence of a « static » mode of failure, which is linked to a damage process associated with intralamellar fracture and decohesion, without noticeable changes in the cyclic behavior. Finally, a time-temperature equivalency approach was developed to describe the kinetics of degradation of the mechanical properties induced by aging.

L’objectif de cette étude est de quantifier la contribution intra et intergranulaire lors d’une sollicitation à haute température d’un alliage de magnésium (AZ31). Afin de répondre à cette problématique scientifique, un essai de traction in situ à haute température dans un MEB a été mis en place. Un important travail de développement a été réalisé autour de cet essai afin de lever un nombre de verrous technique conséquent. Ces verrous expliquent en partie pourquoi il existe aujourd’hui peu d’étude in situ à haute température sur des alliages de magnésium. Un marqueur local ayant la forme d’une microgrille a été déposé sur notre échantillon étant donné que celui-ci n’offre aucun contraste local pour la corrélation d’image numérique (CIN). Afin le dépôt du marqueur local, une cartographie EBSD a été réalisée. À l’aide des joints de grains issus de la carte EBSD, on peut venir superposer les joints de grains aux champs de déformation issue de la CIN.À l’aide des essais de traction in situ à haute température, on a pu mettre en avant l’effet de la température sur les différents mécanismes de déformation actif. Tout ce travail de développement nous permet ainsi de pouvoir localiser les hétérogénéités de déformation plastique à la fois en fonction de l’évolution de la déformation et pour plusieurs températures. D’après les essais menés, on a pu mettre en évidence le fait que plus la température est élevée, que plus les hétérogénéités de déformation plastique se localisent au voisinage des joints de grains. Basé sur une hypothèse cœur/manteau, on a pu venir quantifier la contribution intergranulaire, et mettre en avant que celle-ci devenait plus importante avec la température. / The aim of this study is to quantify the intra and intergranular contribution of the deformation during a high temperature micromechanical test on a magnesium alloy (AZ31). In order to answer this scientific issue, we have developed an in situ tensile test at high temperature within a SEM. It has required a significant preparation work in order to push the current technical limits of this type of test on magnesium alloy. These technical limits can partly explain why there are currently few in situ studies at high temperature on magnesium alloys. A local marker in the form of a microgrid was placed on our sample as it does not provide any local contrast for digital image correlation (DIC). Before the deposition of the microgrid, EBSD mapping was made. Using the grain boundaries from the EBSD, we can superimpose the deformed grain boundaries on the strain map from the DIC.Using high temperature in-situ tensile tests, we were able to highlight the effect of the temperature on the different active deformation mechanisms. This whole development work enables us to locate the plastic deformation heterogeneities both according to the evolution of the deformation and for several temperatures. From the tests conducted, it has been shown that the higher the temperature, the more heterogeneous the plastic deformation heterogeneities are located in the vicinity of the grain boundaries. Based on a heart/coat hypothesis, we were able to quantify the intra and intergranular contribution, and show that it became more important with temperature.

L'utilisation potentielle de composites SiC/SiC comme matériau de gainage dans des réacteurs nucléaires du futur nécessite de comprendre et prévoir leur comportement mécanique complexe, mêlant endommagement et forte anisotropie. Dans le cadre d'une approche multi-échelle, les travaux présentés concernent l'étude du premier changement d'échelle : de l'échelle des constituants élémentaires à celle du toron. Des approches micromécaniques sont mises en œuvre afin de décrire le comportement macroscopique du toron en tenant compte des hétérogénéités de microstructure ainsi que des mécanismes d'endommagement activés à l'échelle locale. Une caractérisation microstructurale fine du toron permet de générer une microstructure virtuelle et d'en étudier la réponse élastique par homogénéisation numérique. En plus d'aborder la notion de VER mécanique, cette étude met en évidence les effets importants de la porosité résiduelle, issue du procédé d'infiltration de la matrice, sur le comportement transverse du toron. L'endommagement longitudinal est étudié par l'intermédiaire de minicomposites, dont l'évolution microscopique des mécanismes d'endommagement (fissures matricielles et ruptures de fibre) est analysée expérimentalement (essais in-situ MEB et tomographie). Cette caractérisation permet notamment d'identifier les paramètres interfaciaux d'un modèle statistique d'endommagement 1D. Si les hypothèses classiques permettent de bien décrire la fissuration matricielle aux deux échelles d'observation, il est nécessaire de les modifier pour obtenir un comportement à rupture correct.

Dans le cadre d'un vaste programme de recherche expérimental et numérique lancé par Electricité De France sur l'acier de cuve 16 MND5, des essais de traction interrompus et in-situ sont réalisés à basses températures [-196°C;-60°C]. Ils permettent de coupler l'observation des éprouvettes entièrement cartographiées au microscope électronique à balayage (endommagement, initiation et propagation des microfissures) avec les états de contrainte déterminés par diffraction des rayons X, dans le but d'établir des critères pertinents. Toutes ces mesures permettent d'alimenter un modèle polycristallin de comportement et d'endommagement à deux échelles (Mori-Tanaka/autocohérent), qui est développé parallèlement à la caractérisation expérimentale. Ce modèle s'avère très performant, car il reproduit correctement l'influence de la température constatée expérimentalement: l'état de contrainte dans la ferrite reste inférieur à celui de la bainite (l'écart ne dépasse jamais 150MPa), alors que la cémentite est beaucoup plus chargée. L'hétérogénéité des déformations et des contraintes par orientations cristallographiques est également bien traduite, tout comme la rupture par clivage suivant les plans {100} du cristal de ferrite (plans identifiés par electron back scattered diffraction lors d'un essai de traction in-situ à -150°C), qui survient plus rapidement lorsque la température diminue, pour une contrainte constante dans cette phase d'environ 700MPa

Afin de traiter les patients atteint de diabète de type 1, un pancréas bioartificiel permettant d’encapsuler des cellules produisant de l’insuline a été développé : il est constitué de membranes poreuses qui les isolent des anticorps du patient, tout en permettant le passage du glucose et de l’insuline. Avant sa mise sur le marché, il est nécessaire de vérifier que son comportement mécanique lui permet d’être implanté chez l’homme sans risque pour le patient. La résistance des membranes sous chargement mécanique est donc étudiée en particulier. Leur structure est d’abord mise en évidence par microscopie électronique à balayage et nanotomographie à rayons X. Des essais de traction sont ensuite effectués à l’échelle macroscopique et à l’échelle microscopique, l’utilisation de techniques de mesure de champs par corrélation d’images permettant de caractériser les déformations des membranes à chaque échelle. En parallèle, une modélisation numérique par éléments finis est développée en se basant sur les caractéristiques microstructurales et mécaniques des membranes. Une méthodologie de comparaison entre le comportement prédit par le modèle et le comportement expérimental des membranes est alors proposée et utilisée. Les résultats de cette étude sont finalement considérés pour juger de la possibilité d’utiliser ce dispositif en phase clinique. / In order to treat type 1 diabetics, a bioartificial pancreas has been developed. It consists in the encapsulation of insulin producing cells: it is made of porous membranes which isolate cells from patient antibodies, allowing the glucose and the insulin to pass through. Before its commercialization, it is necessary to verify that its mechanical behavior allows it to be implanted in a human body without any risk for the patient. The mechanical strength of the membranes under loading is therefore studied. Their structure is first obtained using scanning electron microscopy and X-ray nanotomography. Tensile tests are then done at both macroscopic and microscopic scales, digital image correlation techniques being used to characterize the membranes at each scale. At the same time, a numerical model using finite element method is built based on the microstructural and mechanical characteristics of the membranes experimentally identified. A methodology to compare the experimental and numerical results behavior of the membranes is proposed and used. The results of the study are finally considered to assess the possibility to use the device in clinic phase.

Les CMC oxyde/oxyde sont de bons candidats pour des applications thermostructurales. Le comportement mécanique et les mécanismes d’endommagement de deux composites alumine/alumine à renforts tissés bi- et tridimensionnels ont été étudiés et comparés. La microstructure de ces CMC à matrice faible a été caractérisée à partir de porosimétrie et de CND, tel que thermographie IR, scan ultrasonore et tomographie X, ce qui a permis de mettre en évidence la présence de défauts initiaux. Le comportement mécanique en traction, ainsi qu’en compression dansle cas du CMC à renfort bidimensionnel, dans la direction des fibres ainsi que dans la direction ±45°, aété étudié à température ambiante. Afin d’exploiter pleinement ces essais, nous avons eu recours à plusieurs méthodes d’extensométrie et de suivi d’endommagement, telles que la thermographie IR et l’émission acoustique. Les propriétés mécaniques à rupture ainsi que le module de Young du CMC à renfort bidimensionnel développé à l’Onera se sont avérées supérieures à celles disponibles dans la littérature. Les mécanismes d’endommagement des matériaux ont été déterminés à partir d’observations post mortem au MEB et d’essais in situ dans un MEB, ce qui a permis d’évaluer la nocivité des défauts initiaux. Enfin, l’étude du comportement mécanique de ces composites a permisde proposer un modèle d’endommagement tridimensionnel qui permettra de poursuivre le développement de ces matériaux grâce à du calcul de structure. A l’issue de cette thèse, des pistes d’amélioration des procédés d’élaboration et de choix d’instrumentation à utiliser pour les futures études, notamment en ce qui concerne le suivi d’endommagement, ont également été proposées. / Oxide/oxide CMCs are good candidates for thermostructural applications. Themechanical behaviour and damage mechanisms of two alumina/alumina composites with two andthree dimensional woven reinforcements were studied and compared. The microstructure of theseweak matrix CMCs was characterized by porosimetry and NDT methods, such as IR thermography,ultrasound scanning and X-ray tomography, which highlighted initial defects. The mechanicalbehaviour was studied through tensile tests, as well as compression tests in the case of the twodimensionalreinforced CMC. These tests were conducted at room temperature, in the fibres directionsand in the ±45° direction. In order to fully exploit these tests, several extensometry and damagemonitoring methods, such as IR thermography and acoustic emission, were used. Young’s moduli andmaximum stresses and strains of the two-dimensional reinforced CMC developed at Onera appearedto be higher than those available in the literature. The damage mechanisms of the materials weredetermined by post mortem SEM observations and in situ testing in a SEM, which made it possible toassess the nocivity of initial defects. Studying the mechanical behaviour of these composites finallyenabled the development of a three-dimensional damage model that will facilitate the furtherdevelopment of such materials, through finite element analysis. Finally, some improvements regardingthe manufacturing processes and the instrumentation for damage monitoring were suggested forfuture studies.