Un modèle de comportement thermomécanique pour les alliages à mémoire de forme est présenté. Il prend en compte la transformation de phase martensitique, l'orientation des variantes de martensite ainsi que l'accommodation inélastique des macles au sein de la martensite formée sous une structure auto-accommodée. Un potentiel thermodynamique pour un volume élémentaire représentatif est proposé. Il est décrit à l'aide de trois variables internes définies à l'échelle macroscopique. Des forces thermodynamiques sont dérivées de ce potentiel et équilibrées en faisant intervenir des phénomènes dissipatifs. Le modèle est ensuite implanté dans un code de calcul par élément finis afin de dimensionner des structures en deux et trois dimensions. Ce modèle a servi par la suite de base à une description non locale du comportement superélastique permettant de prendre en compte les phénomènes de localisation observés dans les fils et les films minces d'AMF. Des éléments finis spécifiques sont développés afin de pouvoir prendre en compte ce type d'approche dans le cadre d'un calcul de structures. / A constitutive thermomechanical model for the behavior of shape memory alloys is presented. It takes into account the martensitic phase transformation, the orientation of martensite variants and the inelastic accommodation of twins inside self-accommodated martensite. A thermodynamical potential is built using three internal variables described at macroscopic scale. Driving forces are derived from this potential and the equilibrium is reached by considering dissipative phenomena. The model is then implemented into a finite element code in order to design two or three-dimensional structures. It was adopted as a fundamental for a non-local description of the superelastic behavior in order to take into account the localization phenomenon observed in SMA wires and thin films. Specific finite elements are developed to account with this type of approach in the framework of structures computation.

Dans ce travail, les caractéristiques cristallographiques des martensites d’alliages Ni-Mn-Ga ont été étudiées en détail. En utilisant l’information de la superstructure de martensite 5M de Ni50Mn28Ga22 et de martensite 7M de Ni50Mn30Ga20 pour des mesures en EBSD, les structures cristallines ont été confirmées. Le nombre de variantes, les relations d’orientation entre les variantes adjacentes et les plans d’interface des variantes ont été déterminées sans ambiguïté. Sur la base de données d’orientations précises des variantes de martensite, les relations d’orientation de transformation de l’austénite en martensite 5M et de l’austénite en martensite 7M ont été déterminées, sans présence de l’austénite résiduelle. Pour la martensite NM de Ni54Mn24Ga22, les lamelles de macles à l’échelle nanométrique dans les platelets martensitiques ont été révélées. Les interfaces entre les platelets et entre les lamelles ont été analysées. Dans un alliage Ni53Mn22Ga25 avec coexistence de l’austénite et de la martensite à température ambiante, la formation de la microstructure martensitique en forme de losange avec quatre variantes lors de la transformation de l’austénite en martensite 7M a été mise en évidence. La nature de la martensite 7M a été clairement précisée dans ce travail. Elle est thermodynamiquement métastable et intermédiaire entre l’austénite parent et la martensite NM finale. La martensite 7M possède une structure cristalline indépendante, plutôt que la combinaison de macles nanométrique de martensite non modulée. Le rôle de la martensite 7M dans la transformation est d’atténuer le décalage important entre la maille de l’austénite cubique et celle de la martensite tétragonale et d’éviter la formation d’interfaces incohérentes entre les platelets de martensite NM, qui constituent une barrière énergétique infranchissable / In this work, the crystallographic features of martensites in Ni-Mn-Ga alloys were detailed studied. By using superstructure information for EBSD mapping on 5M martensite in Ni50Mn28Ga22 alloy and 7M martensite in Ni50Mn30Ga20 alloy, the crystal structures were confirmed and the variant number, twin orientation relationships of adjacent variants and twin interface planes were unambiguously determined. Based on the accurate orientation data of martensite variants, the transformation ORs for austenite-5M and austenite-7M were indirectly determined with no presence of initial austenite. For the NM martensite of Ni54Mn24Ga22, the nano-scale twin lamellae in martensitic plates were revealed, and the inter-plate interfaces and inter-lamellar interfaces were analyzed. In a Ni53Mn22Ga25 alloy with co-existence of austenite and martensite at room temperature, the formation of characteristic diamond-like martensite microstructure with four variants during the austenite-7M martensite transformation was evidenced. The 7M martensite occurs on cooling as a thermodynamically metastable phase that is intermediate between the parent austenite and the final NM martensite. 7M martensite possesses an independent crystal structure, rather than the nanotwin combination of normal non-modulated martensite. The role of 7M martensite in the transformation from the cubic austenite to the tetragonal NM martensite has been clarified, which is at the request of mitigating the large lattice mismatch between the cubic austenite and the tetragonal NM martensite and avoiding the formation of the incoherent NM plate interfaces that represent insurmountable energy barrier

Dans un contexte de réduction de masse dans l'industrie automobile, les aciers austénitiques instables, grâce à l'excellent compromis de ductilité-résistance qu'ils présentent, peuvent apporter des solutions en termes d'allégement et de sécurité. Cependant, et sous certaines conditions de mise en forme, ces aciers peuvent présenter des problèmes de rupture différée. L'objectif de cette thèse est l'étude du phénomène de rupture différée associée à la transformation martensitique dans l'acier austénitique instable 301LN. Pour cela, nous avons divisé notre travail en deux grandes parties : Comportement thermomécanique : cette partie porte sur la caractérisation de la transformation martensitique après des essais de traction uniaxiale sous différentes conditions en température et en vitesse de déformation. La distribution des contraintes entre phases, la cinétique de transformation et l'évolution de la texture cristallographique sont suivies lors d'essais post mortem et in situ en diffraction des rayons X (DRX). Analyse multi-échelles de la rupture différée : l'observation et l'étude de la rupture différée sont réalisées sur des emboutis cylindriques à fond plat. L'identification des éléments microstructuraux à l'origine des fissures a été réalisée par observation au Microscope Electronique à Balayage (MEB) des zones de rupture. La distribution des contraintes résiduelles macroscopiques et dans chaque phase, a été déterminée et associée à l'évolution de la fraction volumique de martensite pour différentes conditions d'emboutissage. Des simulations numériques d'opération d'emboutissage, par implémentation dans le code de calcul éléments finis Abaqus©, de deux modèles de transformation martensitique dans les aciers austénitiques instables ont été effectuées et les résultats sont comparés avec les résultats expérimentaux. Nous établissons un lien direct entre l'apparition de la rupture différée, l'état de contrainte dans la martensite, et les fractions de martensite formée dans les godets emboutis.

Un modèle de comportement thermomécanique pour les alliages à mémoire de forme est présenté. Il prend en compte la transformation de phase martensitique, l'orientation des variantes de martensite ainsi que l'accommodation inélastique des macles au sein de la martensite formée sous une structure auto-accommodée. Un potentiel thermodynamique pour un volume élémentaire représentatif est proposé. Il est décrit à l'aide de trois variables internes définies à l'échelle macroscopique. Des forces thermodynamiques sont dérivées de ce potentiel et équilibrées en faisant intervenir des phénomènes dissipatifs. Le modèle est ensuite implanté dans un code de calcul par élément finis afin de dimensionner des structures en deux et trois dimensions. Ce modèle a servi par la suite de base à une description non locale du comportement superélastique permettant de prendre en compte les phénomènes de localisation observés dans les fils et les films minces d'AMF. Des éléments finis spécifiques sont développés afin de pouvoir prendre en compte ce type d'approche dans le cadre d'un calcul de structures.

Les travaux effectués concernent le développement et la caractérisation de nouveaux alliages de titane à grande déformation, combinant des effets TRIP (« Transformation Induced Plasticity ») et TWIP (Twinning Induced Plasticity »). Ils s’inscrivent dans le cadre de la recherche de technologies plus économiques en termes de coûts énergétiques, nécessitant en particulier le développement de matériaux structuraux légers et performants avec une résistance, une ténacité et une ductilité exceptionnelles. Nous avons d’abord utilisé une approche semi-empirique, combinant calculs théoriques et données expérimentales, comme méthode de conception de ces nouveaux alliages. Basée sur des paramètres électroniques, cette approche permet de contrôler le degré de stabilité de la phase β du titane. Cette métallurgie, appelée métallurgie combinatoire, nous a permis de développer rapidement 3 nouvelles nuances d’alliages, qui sont : le Ti-8.5Cr-1.5Sn, Ti-8.5Cr-1.5Al, et le Ti-10V-4Cr-1Al. Il s’avère que plusieurs mécanismes de déformation sont déclenchés pour accommoder plastiquement le matériau, lors d’une sollicitation mécanique externe. Parmi ces mécanismes, sont présents le maclage {332}⟨113⟩, la martensite sous contrainte, et le glissement des dislocations. Nous avons montré que leur synergie donnée naissance à deux effets, un effet de raffinement microstructural dit « effet Hall & Petch dynamique », et un effet assimilable aux interactions matrice-renforts, appelé « effet Composite ». Nous avons mené ensuite une campagne d’essais balistiques comparative avec d’autres alliages de titane, pour analyser le comportement à l’endommagement, au plus proche d’une potentielle application industrielle. Nous avons montré que les alliages ayant la capacité d’être transformable par déformation sont ceux qui possèdent la ténacité (KIC) et la résilience (KCV) la plus élevée. Enfin, dans une dernière partie, axée sur l’ouverture de cette thématique, nous avons étudié dans un premier temps la transposition de la méthode de conception à un alliage industriel. Puis, dans un deuxième temps, une transposition des effets TRIP/TWIP à des matrices α+β, dont les résultats prometteurs des propriétés mécaniques offrent de nouvelles perspectives. / The work carried out concerns the development and characterization of new high deformation titanium alloys, combining TRIP (Transformation Induced Plasticity) and TWIP (Twinning Induced Plasticity) effects. They are part of the search for more economical technologies in terms of energy costs, requiring in particular the development of lightweight and efficient structural materials with exceptional strength, toughness and ductility. We first used a semi-empirical approach, combining theoretical calculations and experimental data, as a method for designing these new alloys. Based on electronic parameters, this approach makes it possible to control the degree of stability of the β phase of titanium. This metallurgy, called combinatorial metallurgy, allowed us to quickly develop 3 new grades of alloys, which are : Ti-8.5Cr-1.5Sn, Ti-8.5Cr-1.5Al, and Ti-10V-4Cr-1Al. It turns out that several deformation mechanisms are triggered to plastically accommodate the material during an external mechanical stress. Among these mechanisms are the {332}⟨113⟩ twinning, the stress martensite, and the dislocation slip. We have shown that their synergy gives rise to two effects, a microstructural refinement effect called "dynamic Hall & Petch effect", and an effect comparable to the matrix-reinforcement interactions, called the "Composite effect". We then carried out a comparative ballistic test campaign with other titanium alloys, to analyze the behavior to damage, closest to a potential industrial application. We have shown that alloys with the ability to be transformable by deformation are those with the highest toughness (KIC) and resilience (KCV). Finally, in a final part, focusing on the opening of this thematic, we first studied the transposition of the design method to an industrial alloy. Then, a transposition of the TRIP / TWIP effects to α+β matrices, whose promising results of mechanical properties offer new perspectives.Keywords : Titanium alloys, Twinning, Strain-hardening, Deformation microstructure, Martensitic phase transformation.

Cette thèse a été centrée sur l’étude de la formation d’une phase martensitique dans les aciersFe-Ni-C et sur la diffusion des atomes de carbone dans cette phase à basse température. Lamodélisation à l’échelle atomique a été utilisée. Pour décrire ces phénomènes, deux approchesont été développées: un modèle discret basé sur la théorie de la fonction de densité atomique(ADF) et une approche quasiparticulaire basée sur la théorie atomique de Fratons (AFT). Dansun premier temps, pour montrer l’universalité de notre approche, nous avons appliqué l'AFTpour modéliser la cinétique d'auto-assemblage des atomes initialement désordonnés à desstructures ordonnées complexes. Cette approche a ensuite été appliquée à l'étude detransformation austénite/martensite. Il a été montré que le germe de martensite se développecomme agrégat multivariant dans la matrice austénitique. En utilisant des figures de pôles etdes diagrammes de diffraction simulés, ces variants ont été identifiés et comparés aux donnéesexpérimentales. La diffusion du carbone dans la phase de martensite a été étudiée en utilisantla théorie ADF. Deux systèmes avec différentes propriétés élastiques, Fe-C et Fe-Ni-C, ont étéconsidérés. Il a été montré qu’au cours du premier stade de vieillissement, les atomes decarbone subissent une décomposition spinodale sur les interstices octaédriques du réseautétragonal centré de martensite et forment les zones riches en carbone. Ensuite, la morphologie«tweed-like» des zones riches en carbone est développée. Les résultats des simulations sontun bon accord avec les images expérimentales obtenues par sonde atomique tomographique.La relation entre une mise en ordre de Zener et la concentration des zones riches en carbone aété discutée. / This thesis examines the formation of martensite in Fe-Ni-C steels and the diffusion of carbonatoms in this phase at low temperatures. To achieve this goal the atomistic modeling have beenused. To describe these phenomena two different approaches were developed: a discretemodel based on the Atomic Density Function (ADF) theory and the quasiparticle approachesbased on the Atomic Fraton Theory (AFT). First, the AFT was tested to model a self-assemblykinetics of initially disordered systems to three different classes of ordered one: singlecomponent crystals with fcc and diamond structures, two component crystals with zinc-blendstructure, and polymers with single-strand and double-stranded helixes structures. Then thisapproach was applied to model austenite/martensite transformation. It was shown thatmartensite nucleus grows as multivariant aggregate in austenite matrix. Using pole figures andsimulated diffraction patterns these variants were identified and compared with the experimentaldata. The carbon diffusion in martensite phase was studied using ADF theory. Two systemswith the different elastic properties corresponding to the Fe-C and Fe-Ni-C systems wereconsidered. It was shown that during a first stage of aging the carbon atoms undergo a spinodaldecomposition on the octahedral interstices of bcc lattice and form the carbon-rich zones. Then"tweed-like" morphology of carbon-rich zones is developed. The simulations results are a goodagreement with experimental images obtained by atom probe tomography. The relationbetween Zener ordering and the concentration of carbon reach zones is discussed.

L’Alliage à Mémoire de Forme (AMF) est un matériau intelligent ayant de nombreuses applications dans l'industrie aérospatiale, le génie civil, ainsi que dans le domaine biomédical. Dans toutes ces applications, le matériau est soumis à un chargement cyclique ce qui le rend vulnérable vis-à-vis du phénomène de la fatigue. Une des questions importantes dans l'étude de la fatigue de l’AMF polycristallin est l'interaction entre l’endommagement local et la transformation de phase martensitique; cette transformation se déroule dans un mode homogène macroscopique ou un mode hétérogène se traduisant par la formation de bandes de Lüders en raison de la localisation de la déformation et du changement de phase. La formation et l'évolution de ces bandes influence fortement les mécanismes physiques de déformation ainsi que l’endommagement par fatigue du matériau. Dans la littérature, on ne trouve pas d’études permettant de faire le lien entre la formation et l’évolution des bandes de localisation et la fatigue du matériau. Dans cette thèse, des expériences systématiques de fatigue en traction sont réalisées sur les éprouvettes pseudo-élastiques du Nickel-Titane avec des observations optiques in-situ de l’évolution des macro-bandes. Ces observations ont permis de retracer l'histoire de la déformation locale dans les zones où la rupture se produit. Ces résultats expérimentaux permettent de mieux comprendre le comportement de fatigue ainsi que sa dépendance par rapport à la contrainte appliquée ainsi que la fréquence du chargement. En particulier, il a été prouvé que la déformation locale résiduelle représente un meilleur indicateur de l’endommagement du matériau que la déformation résiduelle nominale/globale de la structure. / Shape Memory Alloy (SMA) is a typical smart material having many applications from aerospace industry, mechanical and civil engineering, to biomedical devices, where the material’s fatigue is a big concern. One of the challenging issues in studying the fatigue behaviors of SMA polycrystals is the interaction between the material damage and the martensitic phase transformation which takes place in a macroscopic homogeneous mode or a heterogeneous mode (forming macroscopic patterns (Lüders-like bands) due to the localized deformations and localized heating/cooling). Such pattern formation and evolution imply the governing physical mechanisms in the material system such as the fatigue process, but there is still no fatigue study of SMAs by tracing the macro-band patterns and the local material responses. To bridge this gap, systematic tensile fatigue experiments are conducted on pseudoelastic NiTi polycrystalline strips by in-situ optical observation on the band-pattern evolutions and by tracing the deformation history of the cyclic phase transformation zones where fatigue failure occurs. These experimental results help to better understand the stress- and frequency-dependent fatigue behaviors. Particularly, it is found that the local residual strain rather than the structural nominal/global residual strain is a good indicator on the material’s damage leading to the fatigue failure, which is important for understanding and modeling the fatigue process in SMAs.

Les alliages base Ru allient effet mémoire de forme simple et températures de transformation martensitique élevées (entre 300°C et 1100°C). L'objectif de cette thèse est d'établir un e base de connaissances sur le comportement haute température de ces alliages, afin de déterminer s'ils peuvent être utilisés comme AMF haute température. La détermination des températures de transformations, qui présentent une faible hystérésis ainsi qu'une grande stabilité au cyclage thermique, couplée à celle des structures cristallines a permis de réviser les diagrammes de phase des systèmes RuNb et RuTa et de classer les alliages en deux catégories.

Cette étude, inscrite dans le Programme National de Recherche NOREV (Nouveaux REfractaires Verriers), porte sur la simulation numérique par éléments finis du refroidissement post-coulée de réfractaires électrofondus à très haute teneur en zircone (THTZ). Un modèle numérique thermique du refroidissement d'une dalle a été développé, à partir de mesures thermiques réalisées dans un moule lors d'une coulée en usine. Ce calcul a permis de situer dans le temps, pour les différents points de la dalle, les phénomènes intervenant au cours du refroidissement : solidification, fluage et transformation de la zircone. Des essais mécaniques isothermes et anisothermes ont permis de définir les équations constitutives du comportement en fluage (écrouissage isotrope) et lors de la transformation de phase de la zircone (modèle de plasticité de transformation de Leblond). A partir des chargements thermiques, les contraintes générées au cours du refroidissement ont été calculées, ainsi que les contraintes résiduelles après retour à température ambiante. La transformation de phase de la zircone, qui induit un gonflement volumique de 4%, semble s'avérer être le phénomène physique le plus critique pour ces deux types de contraintes. Les études paramétriques réalisées ont prouvé l'intérêt du modèle numérique en tant qu'outil d'aide à l'amélioration du procédé en jouant sur les propriétés de divers paramètres : propriétés du matériau coulé, géométrie du moule, propriétés de ses constituants,...

Cette étude est consacrée à l'analyse thermomécanique de la transformation martensitique prenant place dans les Alliages à Mémoire de Forme (AMF). Cette analyse est effectuée à différentes échelles et s'appuie sur des champs de mesures thermomécaniques, des simulations numériques 3D par éléments finis et des simulations utilisant la dynamique moléculaire. L'étude est restreinte au comportement pseudoélastique d'un monocristal de CuAlBe, soumis à des chargements de traction. Les observations par imagerie cinématique et énergétique couplées rendent possible la caractérisation précise et locale du front de changement de phase qui apparait lors d'une sollicitation mécanique d'une éprouvette d'AMF. L'analyse énergétique qui en est faite, permet d'interpréter la transformation de phase comme liée à un couplage thermomécanique fort, et de négliger la dissipation intrinsèque. Conformément à ces résultats, un modèle thermomécanique monovariant est proposé qui rend compte du phénomène d'hystérésis et des effets du temps observés expérimentalement. Le front de changement de phase est ensuite généré numériquement puis comparé à l'expérience et à la littérature. Dans un second temps, un modèle d'AMF idéal est proposé à l'échelle cristalline. La dynamique moléculaire permet de construire l'énergie libre associée à un ensemble d'atomes et de réaliser des expériences numériques. L'évolution du comportement avec la dimension de l'échantillon est étudiée numériquement puis discutée. Une tendance à la convexification du potentiel énergétique est observée, ainsi que l'apparition d'une microstructure complexe.