La rupture en fatigue à grand nombre de cycles est une des sources de défaillance les plus fréquentes pour des pièces en service. Dans le cas des aciers, l'endommagement par fatigue trouve ses origines microstructurales dans des mécanismes liés aux mouvements des dislocations. L'objectif du présent travail est de comprendre les multiples interactions entre la microstructure et la dissipation intrinsèque induite par les mouvements de dislocations puisque limiter la dissipation semble permettre d'améliorer la limite de fatigue. L'estimation expérimentale de la dissipation intrinsèque à partir de la température nécessite une formulation de l'équation de la chaleur qui découle d'hypothèses relatives aux sources de chaleur et aux moyens de mesure. L'outil expérimental permet de mettre en place un modèle micro-macro qui décrit les multiples interactions entre les phénomènes dissipatifs et la microstructure. La dissipation lors de sollicitations cycliques est supposée être soit liée à la courbure des lignes de dislocations (anélasticité) soit due au glissement viscoplastique des dislocations (inélasticité). L'utilisation du cadre de la plasticité cristalline aboutit à une description physique de ces mécanismes et le modèle de transition d'échelle, développé pour tenir compte des différents ordres de dérivation qui interviennent dans la loi de comportement locale, permet de considérer la nature hétérogène des aciers. Une procédure d'identification des paramètres basée sur les courbes de comportement oligocyclique est ensuite proposée et donne des résultats satisfaisants. Finalement, le modèle est principalement utilisé afin de prévoir le rôle divers paramètres relatifs au chargement ou à la microstructure sur les courbes d'échauffement.

Le dioxyde d'uranium (UO2) est le combustible de référence pour les réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Notre étude traite de la compréhension et de la modélisation du comportement mécanique, dans les domaines basse température (rupture fragile) et haute température (déformation viscoplastique), à l'échelle de la microstructure. Dans un premier temps est présentée une étude des propriétés géométriques des polycristaux en général et du polycristal d'UO2 en particulier. Nous montrons que nous pouvons reproduire des agrégats polycristallins réalistes et économes en nombre d'éléments. Pour améliorer les connaissances du comportement de ce matériau dans le domaine de rupture fragile, nous avons développé une méthode expérimentale permettant de mieux comprendre le phénomène de rupture fragile à l'échelle du grain. Nous montrons que la rupture est entièrement intragranulaire et que les plans {100} semblent être les plans préférentiels pour cette rupture. Les résultats expérimentaux obtenus sont directement utilisés pour formuler une loi de comportement de rupture fragile intragranulaire à l'échelle du cristal, utilisée ensuite dans des calculs de rupture fragile sur un polycristal tridimensionnel. Le calcul est réalisé en champ complet, donnant ainsi accès à l'amorçage et à la propagation de la fissure à travers les grains. Enfin, nous avons développé une modélisation du comportement de l'UO2 dans le domaine viscoplastique. Nous présentons tout d'abord une loi de comportement à l'échelle macroscopique qui inclut un effet de vieillissement par migration de défauts vers les dislocations. Dans un second temps, nous avons développé une loi de comportement de type plasticité cristalline adaptée à l'UO2, incluant les effets de rotation de réseau. Nous présentons des exemples de calculs sur polycristaux. / Uranium dioxide (UO2) is the reference fuel for pressurized water nuclear reactors. Our study deals with understanding and modeling of mechanical behavior at the microstructure scale at low temperatures (brittle fracture) and high temperature (viscoplastic strain). We have first studied the geometrical properties of polycrystals at large and of UO2 polycrystal more specifically. As of now, knowledge of this behavior in the brittle fracture range is limited. Consequently, we developed an experimental method which allows better understanding of brittle fracture phenomenon at grain scale. We show that fracture is fully intra-granular and {100} planes seem to be the most preferential cleavage planes. Experimental results are directly used to deduce constitutive equations of intra-granular brittle fracture at crystal scale. This behavior is then used in 3D polycrystal simulation of brittle fracture. The full field calculation gives access to the initiation of fracture and propagation of the crack through the grains. Finally, we developed a mechanical behavior model of UO2 in the viscoplastic range. We first present constitutive equations at macroscopic scale which accounts for an ageing process caused by migration of defects towards dislocations. Secondly, we have developed a crystal plasticity model which was fitted to UO2. This model includes the rotation of the crystal lattice. We present examples of polycrystalline simulations.

Cette thèse traite de la modélisation multi-échelle de composites particulaires fortement chargés. La méthode d’estimation, qualifiée d’“Approche Morphologique” (A.M.), repose sur une double schématisation géométrique et cinématique du composite permettant de fournir la réponse aux deux échelles. Afin d’évaluer les capacités prédictives de l’A.M. en élasticité linéaire avec évolution de l’endommagement, l’A.M. est testée vis-à-vis de ses aptitudes à rendre compte des effets de taille et d’interaction de particules sur la chronologie de décohésion. Pour cela, différentes microstructures périodiques simples, aléatoires monomodales et bimodale générées numériquement sont considérées. Les résultats obtenus sont cohérents avec les données de la littérature : la décohésion des grosses particules précède celle des plus petites et est d’autant plus précoce que le taux de charges est important. Puis, l’objectif est de coupler deux non-linéarités traitées séparément dans deux versions antérieures de l’A.M : l’endommagement par décohésion charges/matrice et les grandes déformations. La formulation du problème de localisation-homogénéisation est reprise à la source de manière analytique. Le critère de nucléation de défauts est étendu en transformations finies. Le problème obtenu, fortement non-linéaire, est résolu numériquement via un algorithme de Newton-Raphson. Les étapes sous-jacentes à la résolution (calcul de la matrice tangente, codage en langage Python®) sont explicitées. Des évaluations progressives (matériaux sain et endommagé)permettent de valider la mise en oeuvre numérique. Les effets de taille et d’interaction sont alors restitués en transformations finies. / This study is devoted to multi-scale modeling of highly-filled particulate composites.This method, the “Morphological Approach” (M.A.), is based on a geometrical and kinematicalschematization which allows the access to both local fields and homogenized response. In order toevaluate the predictive capacities of the M.A. considering a linear elastic behavior for the constituentsand evolution of damage, analysis is performed regarding the ability of the M.A. to accountfor particle size and interaction effects on debonding chronology. For that purpose, simple periodic,random monomodal and bimodal microstructures are considered. The results are consistent withliterature data : debonding of large particles occurs before the one of smaller particles and thehigher the particle volume fraction, the sooner the debonding. Finally, the objective is to operatethe coupling of two non linearities which were separately studied in previous versions of the M.A. :debonding between particles and matrix, and finite strains. The whole analytical background of theapproach is reconsidered in order to define the localization-homogenization problem. The nucleationcriterion is extended to the finite strains context. The final problem, strongly non linear, is numericallysolved through a Newton-Raphson algorithm. The different solving steps (jacobian matrix,coding with Python®) are developed. Progressive evaluations (sound and damage materials) allowthe validation of numerical implementation. Then, size and interaction effects are reproduced infinite strains.