Le développement de systèmes mécaniques, toujours plus performants et légers, demande l’optimisation continue des matériaux utilisés ainsi que leurs traitements. Dans le domaine des transmissions de puissance, la nitruration gazeuse apporte une hausse significative des durées de vie en fatigue des pièces fortement sollicitées. Alors que le rôle des gradients de propriétés mécaniques générés sur la résistance en fatigue est reconnu, l’influence de cette microstructure nitrurée sur les mécanismes de plasticité ou de microplasticité menant à de l’endommagement puis à l’initiation d’une fissure reste relativement méconnue. Ce travail de thèse concerne exclusivement la nitruration de l’acier de nuance 33CrMoV12-9, particulièrement utilisée dans les roulements et engrenages des industries aéronautiques et navales. Les propriétés mécaniques liées aux phénomènes menant à l’initiation de fissures en fatigue à grand nombre de cycles ont, tout particulièrement, été étudiées. Les propriétés mécaniques, comme le module d’élasticité, la dureté, la limite d’élasticité ou encore les contraintes résiduelles sont déterminées à plusieurs échelles, de celles de la microstructure à celles plus macroscopiques. Des observations in-situ ou post-mortem des couches nitrurées sollicitées jusqu’à l’endommagement ayant pour but d’estimer l’influence de la microstructure sur les hétérogénéités de déformations, les phénomènes de microplasticité et les mécanismes d’endommagement correspondants n’ont pas permis d’identifier clairement des mécanismes d’initiations de fissures. Pour ces essais, une éprouvette nitrurée à cœur représentative de la couche nitrurée a été développée. Cet outil expérimental a permis d’effectuer des essais simples de sollicitations des microstructures et ainsi déterminer des caractéristiques élastiques, d’écrouissage et de tenue en fatigue. Enfin, il a été démontré que les propriétés mesurées comme le module d’élasticité dépendent de l’échelle d’observation, des moyens et des méthodes utilisés. / Design of high-performance and lighter mechanical systems needs a perpetual work on materials used. In the power transmission field, gaseous nitriding thermochemical treatment enhances significantly the life-cycle of the parts which are higher stressed on the surface. While the contribution of the mechanical property gradients due to the treatment on the fatigue life is well-known, the microstructure effects on the (micro-)plasticity mechanisms remains undetermined. This work concerns exclusively the nitrided 33CrMoV12-9 graded steel, used for gears and bearings in the naval and aeronautical industry. It aims particularly at defining mechanical properties linked to crack initiation mechanisms during high-cycle fatigue. Properties such as Young modulus, hardness, yield stress and fatigue limits are looked at several scales, from microstructural ones to hardened case one. In-situ and post-mortem investigation on loaded and damaged nitrided layers leads to estimating the microstructural influence on local deformations, microplasticity and damage but no particular mechanisms were found. Special fully-nitrided parts were designed to perform the experiments. This tool helps to carry out simple loadings and measure the strain-hardening curve and fatigue limits. Finally, it as been attested that measured properties depend on scales, means and methodology.

L'objectif de cette thèse est d’approfondir la compréhension des relations entre la croissance anormale des grains austénitiques et l'état de précipitation dans un acier faiblement allié. La croissance anormale est le grossissement excessif d’un petit nombre de grains conduisant à une détérioration des propriétés mécaniques. La distribution de taille des grains d'austénite, la fraction volumique de précipités et l'évolution de leur distribution de taille ont étés expérimentalement caractérisés pour différents traitements thermiques et pour deux aciers industriels (acier A et acier B). La modélisation a été réalisée en deux étapes : modélisation de l’état de précipitation et modélisation de la croissance anormale/normale des grains. Les résultats de la modélisation ont étés comparés aux résultats expérimentaux. Le modèle de croissance des grains est basé sur l’hypothèse que la croissance des grains est régie par la diminution de l'énergie d’interface. Les précipités créent une force d’ancrage conventionnelle de Zener ainsi qu’une force d’ancrage de joints de grains, qui retardent la croissance de grains. Le modèle de précipitation est basé sur les théories classiques de nucléation et de croissance (CNGTs). Si la taille des grains austénitiques est supérieure à 3µm, l’hypothèse d’une précipitation homogène permet d’obtenir un bon accord entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux (distribution de taille de précipités, fraction volumique). Si la taille des grains est inférieure à 3µm, la présence de précipitation hétérogène a été prise en compte. Le modèle de précipitation a été couplé par deux approches différentes au modèle de croissance de grains ; un couplage ‘doux’ et un couplage ‘ dur’. Ces deux approches ont permis de faire la lumière sur les différents paramètres physiques qui contrôlent la croissance de grains pour un état structural donné. Une bonne prédiction du mode de croissance (normale ou anormale) a été obtenue. Le couplage dynamique a permis de tracer une représentation temps/température claire du mode de croissance des grains. Il a été montré que si la croissance anormale des grains d’austénite dépend fortement de l’état initial de précipitation ainsi que de la taille initiale des grains, l’évolution de la fraction volumique des précipités lors du traitement thermique joue un rôle prépondérant sur le mode de croissance. Les résultats de cette étude ont permis d’expliquer l’influence de l’état de précipitation et de la taille des grains sur la croissance anormale. / The objective of this thesis is to further understand the austenite Abnormal Grain Growth (AGG) phenomenon in relation with precipitation state in a low alloy steel. The abnormal grain growth is addressed from both experimental and numerical modeling point of view. Prior austenite grain size distribution, precipitation volume fraction and size distribution evolution of the different heat treated states are experimentally determined for two different industrial alloys (steel-A and steel-B) in different heat treated states and experimental results are compared with model predictions. A two-step modeling technique is adopted in this study: precipitation modeling and abnormal/normal grain growth modeling. The abnormal/normal grain growth modeling is done using a simplified analytical model where the grain growth is assumed to be driven by the decrease in interfacial energy. Both the conventional Zener pinning and corner pinning by precipitate is considered as boundary movement retarding forces. The precipitation model is based on the Classical Nucleation and Growth Theories. The assumption of homogeneous precipitate nucleation and growth gave a good prediction of volume fraction, mean radius and size distribution in comparison with the experimental results. Two coupled modeling approaches of abnormal grain growth and precipitation model: ①Soft coupling and ②Dynamic coupling; shed light on the different physical parameters controlling the grain growth condition in a particular material’s state. A reasonable prediction of AGG and NGG is obtained from both approaches. The dynamic coupled modeling enabled us to paint a comprehensive time-temperature mechanism map of grain growth conditions. It is found that AGG in the austenitic state depends strongly on the initial grain size distribution and precipitation state. The modeling and the experimental results showed that the precipitation state evolution (increasing or decreasing volume fraction) also impact normal/abnormal grain growth. Plausible explanations in relation with the mean austenite grain size and the precipitation state are derived for the AGG phenomenon from the present work.

La fragilité reconnue des Zones Affectées par la Chaleur (ZAC) en doudage d'aciers micro-alliés à basse teneur en carbone est l'une des propriétés les plus pénalisantes pour l'application de ces nouveaux produits en environnement sévère. Cette étude vise à mieux comprendre les mécanismes d'amorçage et de propagation de la rupture par clivage dans ces microstructures et à prévoir l'effet des zones fragiles sur la ténacité de l'acier. Les traitements thermiques correspondant à des cycles de soudage détériorent les propriétés à rupture du métal de base en élevant la température de transition fragile-ductile. Les propriétés de ténacité des ZAC (résilience et déformation à rupture sur éprouvettes entaillées) sont en effet fortement influencées par des paramètres métallurgiques tels que les composés Martensite-Austénite (M-A) et la taille de grain "efficace". La disposition d'ensemble des grains et de leurs orientations relatives qui déterminent les propriétés mécaniques de ces microstructures est fixée par les mécanismes de germination et de croissance de la bainite. Une approche phénoménologique de la cristallographie des transformations martensitiques (PTMC) est appliquée aux microstructures bainitiques et premert de préciser le rôle de l'auto-accommodation des contraintes mécaniques dans les mécanismes de formation de ces différentes microstructures. <br />L'étude des micro-mécanismes de rupture des ZAC a été facilitée par l'utilisation de l'émission acoustique. Des amorces de rupture fragile par clivage sur des composés M-A massifs ont pu etre observées. Le type d'endommagement (rupture du composé ou décohésion à l'interface) dépend de la température d'essai et du taux de triaxialité. Par ailleurs, il semble que la résistance des barrières microstructurales (joints de paquets bainitiques) décroit quand la température diminue entrainant un changement de mécanisme : rupture controlée par la propagation à haute température, rupture controlées par l'amorcage à basse température. Dans le premier cas, les joints sur lesquels s'arretent les fissures sont déterminés par EBSD comme étant des joints de forte désorientation (50° à 60°).<br />Le modèle d'approche locale de Beremin a été appliqué avec succès pour prédire les évolutions de la ténacité et de la dispersion avec la température. Un modèle d'approche locale basé sur les mécanismes de rupture des ZAC a été également appliqué. La rupture est décirte par la succession de trois processus élémentaires : rupture d'un composé M-A, franchissement de l'interface M-A/matrice et franchisement des joints de paquets efficves. La dispersion expérimentale, directement issue des distributions de tailles des différentes unités microstructurales est correctement reproduite. La prise en compte des effets de plasticité en pointe de fissure permet également de rendre compte de l'augmentation du nombre de fissures arretées avec la temperature, ce qui est expérimentalement observé.

La cuve des réacteurs à eau sous pression forme la seconde barrière de confinement de l'assemblage combustible nucléaire. Dans les centrales françaises, elle est constituée d'acier 16MND5 faiblement allié (équivalent de la nuance ASTM A508 Cl.3). Diverses techniques expérimentales (microscopie électronique, diffraction des rayons X etc.) sont mises en oeuvre lors d'essais de tractions in-situ afin de mettre en évidence les hétérogénéités mécaniques apparaissant au sein du matériau. Ces mesures se font en cours de sollicitation pour diverses basses températures [-150°C;-60°C]. Les hétérogénéités mécaniques sont principalement dues aux deux aspects "polycristallins" et "composite"(effet des amas de cémentite) de la microstructure. Des écarts de contraintes résiduelles interphases (jusqu''a 150 MPa en moyenne entre bainite et ferrite), et intraphases (jusqu''a 100 MPa en moyenne par orientation pour la ferrite) sont mis en évidence. Une modélisation complexe est mise en oeuvre afin de représenter le comportement. Elle inclut une loi micromécanique, un modèle de transition d'échelle, et une représentation par éléments finis d'agrégats 3D, le tout associé dans une démarche multi-échelles. L'identification se fait sur le comportement à différentes températures, et permet de reproduire les hétérogénéités de contraintes mises en évidence expérimentalement. Cette modélisation sert de base à l'application déterministe d'un critère local de rupture fragile micromécanique et cristallographique. L'utilisation de divers tirages de répartitions de carbures réalistes permet d'obtenir une probabilité de rupture du volume élémentaire en accord avec les hypothèses formulées par l'approche locale de la rupture. A ceci près que contrairement aux approches habituelles, on ne suppose pas de dépendance de cette probabilité par rapport au chargement ou à la microstructure, celle-ci est naturellement introduite.

Le fonctionnement à haute température de certains composants des centrales nucléaires, provoque une dégradation de leurs propriétés à rupture. Cette dégradation provient essentiellement de l'activation de phénomènes thermodynamiques qui entraînent la ségrégation d'éléments aux joints des grains. L'objectif de ce travail est de proposer une modélisation multi-échelle permettant de relier la cinétique de cette ségrégation à l'évolution des propriétés à rupture du matériau.

Le fonctionnement à haute température de certains composants des centrales nucléaires, provoque une dégradation de leurs propriétés à rupture. Cette dégradation provient essentiellement de l'activation de phénomènes thermodynamiques qui entraînent la ségrégation d'éléments aux joints des grains. L'objectif de ce travail est de proposer une modélisation multi-échelle permettant de relier la cinétique de cette ségrégation à l'évolution des propriétés à rupture du matériau. / The use of some PWR components at a relatively high temperature generates a drop of their fracture properties. This embrittlement is generally attributed to the segregation of some impurities at grains boundaries. This work aims at correlating the kinetics of this segregation to the embrittlement kinetics through a multi-scale approach, combining thermodynamical and micro-mechanical analysis.

Dans ce travail, Al-Cu échantillons modèle en alliage ont été chauffés sous vide ultra élevé, et on a trouvé que l'oxyde Al grandi et Cu pertage inceased en fonction de l'exposition à l'O2 en raison de l'oxydation préférentielle de Al. échantillons ont ensuite été recuits à 540 °C sous vide poussé et vieilli à 300 °C dans l'air, et corrodés en peu de temps dans l'électrolyte neutre et l'électrolyte alcalin contenant des ions Cl- en utilisant le système à trois électrodes, respectivement. Après immersion dans l'électrolyte neutre, corrosion morphologies (creusement de tranchées sur l'échantillon poli vs fosses creuses sur l'échantillon vieilli) se distinguent. Cependant, dans un électrolyte alcalin, la corrosion a à deux phases en raison de la dissolution de l'aluminium et de l'oxyde d'aluminium dans une solution alcaline: d'une part, un oxyde d'Al et la matrice d'Al ont été dissous en général, ce qui entraîne riche en Cu intermétalliques étant laissé isolément sur la surface; d'autre part, la corrosion générale a ensuite accompagné la dissolution préférentielle du substrat environnant riche en Cu intermétalliques résultant dans des tranchées autour des particules. Formation des mixtes Al-Cu oxydes riche en Cu2O et CuO dépôts ont été trouvés sur la surface corrodée. En outre, les échantillons Al-Cu recouvertes de revêtements Al2O3 déposés par procédé ALD à la surface ont été corrodés dans des conditions similaires. Comme on s'y attendait, une amélioration significative de la résistance à la corrosion des échantillons d'alliages revêtus a été observée, mais la couche d'ALD dans l'électrolyte alcalin est pas aussi stable que dans les électrolytes neutres. / In this work, Al-Cu model alloy samples were heated in ultra high vacuum (UHV), and it was found that the Al oxide grew and Cu percentage increased as a function of exposure to the O2 owing to the preferential oxidation of Al. Then samples were annealed at 540 °C in high vacuum and aged at 300 °C in air, and corroded in short time in the neutral electrolyte and the alkaline electrolyte containing Cl- ion using the three-electrode system, respectively. After immersion in the neutral electrolyte, corrosion morphologies (trenching on the polished sample vs. hollow pits on the aged sample) are distinguished due to the different distributions of Cu-rich intermetallics in the polished sample (distributed homogeneously) and the aged sample (mostly beneath the oxide layer). However, in alkaline electrolyte, corrosion went at two stages owing to the dissolution of aluminium and aluminium oxide in an alkaline solution: firstly, Al oxide and the Al matrix were dissolved generally, resulting in Cu-rich intermetallics being left isolatedly on the surface; secondly, general corrosion went on accompanied with the preferential dissolution of substrate surrounding Cu-rich intermetallics resulting in trenching around particles. Formation of mixed Al-Cu oxides/hydroxides layer rich in Cu2O and CuO deposits were found on the corroded surface. Furthermore, Al-Cu samples covered with Al2O3 coatings deposited by ALD process on the surface were corroded under similar conditions. As expected, a significant improvement of corrosion resistance of the coated alloy samples was observed, but the ALD layer in alkaline electrolyte is not as stable as in neutral electrolytes, and undergoes dissolution.

Les manilles utilisées pour l'assemblage et l'amarrage des plates-formes pétrolières nécessitent des propriétés mécaniques de plus en plus élevées. Mais les défauts de fabrication de ces manilles, responsables de leur rupture prématurée, engendrent des coûts d'intervention très élevés. Afin de comprendre et d'anticiper ces défauts de fabrication, trois outils numériques ont été développés permettant de simuler (i) le procédé de fabrication, (ii) le traitement thermique et (iii) le chargement mécanique de la manille. Le procédé de fabrication des manilles est constitué d'une succession de différentes étapes de forgeage à chaud et a été caractérisé avec des mesures de température, géométrie et efforts durant toutes les étapes. Un modèle numérique thermo- mécanique du procédé de fabrication a été développé en 3D et permet de prédire tous les paramètres de forge. Une étude numérique d'influence de certains paramètres du procédé a permis de comprendre les différentes causes de mise au rebut. Des mesures de température, des observations métallographiques au microscope et au MEB ainsi que des essais mécaniques ont été effectués sur des lopins après différents cycles de traitement thermique. Un modèle numérique de traitement thermique a été développé en 1D et permet de simuler les changements de phases pendant la normalisation et la trempe, et ainsi d'obtenir la dureté résultante en tout point du lopin. Finalement, une cartographie des propriétés mécaniques d'une manille a été obtenue et les modes de déformation de la manille en condition de chargement ont été évalués par le biais d'un essai de tension sur banc. Le modèle numérique de la manille sous tension a été développé en 3D et permet d'évaluer la charge maximale en service, la charge à rupture ainsi que la zone critique de la manille étudiée / Shackles used for the assembly or the mooring of petroleum platforms require constantly higher mechanical properties. But the manufacturing defects often lead to premature failure which can cost 1M€/day. Thus, in order to understand and anticipate those manufacturing defects, three numerical tools have been developed to simulate (i) the manufacturing process, (ii) the heat treatment and (iii) the mechanical behavior of the shackle. A shackle is manufactured via a sequence of hot forming stages and the manufacturing process has been characterized during all the stages, with measures of temperature, geometry and loads. The numerical thermo-mechanical model has been developed in 3D and gives a very good prediction of each forging parameters. A numerical study of influence of some process parameters has led to a better understanding of scrapping. Temperature measurements, metallographic observations as well as mechanical testing have been carried out on cylindrical rods after various heat treatment cycles. The numerical heat treatment model has been developed in 1D and predicts phase transformations during normalizing and quenching, as well as the hardness at each point of the rod. Finally, the distribution of the mechanical properties over a shackle has been characterized and the deformation modes of the shackle were evaluated via a load test on a dedicated bench. The numerical model of the shackle under tension has been developed in 3D and allows to evaluate the working load limit, the break load as well as the critical zone of the shackle.

Ces travaux de recherche portent sur l’étude de l’injection du cuivre. Dans une optique d’amélioration des propriétés du cuivre injecté sous pression, deux grands thèmes de réflexion ont été abordés. La première voie de réflexion porte sur l’influence des paramètres de fusion et d’éléments d’alliages ajoutés en faible quantité sur les caractéristiques des démonstrateurs technologiques produits. La seconde partie discute de l’influence du procédé de fonderie en lui-même, notamment au travers de l’étude de deux paramètres : l’influence du régime d’écoulement du métal en fusion dans l’empreinte, et l’influence de l’emprisonnement de l’air sur les propriétés des pièces injectées. / This research focuses on the study of high pressure die casting (HPDC) of copper. In order to improve the properties of die-cast copper, two main issues were investigated. In the first part, attention is paid to the influence of melting parameters and of addition of alloying elements in small amounts on the characteristics of the specimen produced. The second part discusses the influence of the foundry process itself on properties of die cast part, in particular by studying two parameters : the metal flow type during cavity filling, and the air entrapment.

L'exploitation des champs de pétrole et de gaz sous haute pression (HP) et haute température (HT) a augmenté ces dernières années, nécessitant de réévaluer les risques de corrosion dans ces milieux de plus en plus sévères. Afin de contribuer à une meilleure évaluation des risques de rupture différée des aciers en présence d'H2S (SSC, Sulfide Stress Cracking) dans ces conditions, trois axes de recherche ont été suivis. Nous avons d'abord identifié un besoin d'amélioration de prédiction des conditions corrosives sous haute pression et haute température, et en particulier pour le calcul du pH in situ. Un modèle a été développé ; il prend en compte le comportement non-idéal des phases en équilibre, et permet un calcul plus précis du pH et de la fugacité des gaz acides à haute pression et haute température. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'effet de la pression partielle de CO2 (PCO2) sur les réactions de surface et sur les risques de SSC. Cette étude, réalisée à l'aide de mesures électrochimiques en l’absence d’un film de sulfure de fer, a permis de montrer que la présence de CO2 augmente sensiblement les cinétiques des réactions cathodiques à la surface de l'acier ainsi que le chargement en hydrogène, en particulier lorsque la pression partielle en H2S (PH2S) est faible. Enfin, des essais SSC ont été mis en œuvre dans des conditions fixes de pH et de PH2S, en faisant varier PCO2 entre zéro et 100 bar. L'objectif était de vérifier que la présence de CO2 sous forte pression augmentait bien les risques de fissuration, comme prévu par les résultats des essais électrochimiques. Les difficultés liées à la mise en œuvre d'essais en autoclave sous pression n'ont pas permis d'apporter une conclusion définitive. Néanmoins, ces travaux montrent qu'il peut exister un risque de sous-estimation de la sévérité des milieux dans les pratiques conventionnelles, lorsque PCO2 est significativement plus élevée que PH2S. Dans ces conditions spécifiques, les résultats de ce travail peuvent servir à améliorer les critères de choix de matériaux pour les milieux HP/HT. / The production of high pressure (HP) and high temperature (HT) wells has considerably increased in the last decade. It is therefore needed to reassess the risks of corrosion in always more severe environments. This work was three fold to better assess the risk of Sulfide Stress Cracking (SSC) in these environments. Firstly, there was a need to improve prediction methods for the evaluation of HP/HT environments severity, especially the in situ pH calculation. A model was which taking into account the non-ideal behaviour of gas and liquid phases in equilibrium. The determination of the in situ pH and the acid gas fugacity at high pressure and high temperature is more accurate. In a second part of the work, the impact of CO2 partial pressure (PCO2) on surface reactions and hence on the risk of SSC was examined. Electrochemical and hydrogen permeation measurements in the absence of an iron sulphide film showed that CO2 induces an increase of both cathodic reactions kinetics and hydrogen charging in the steel, especially at low H2S partial pressure (PH2S). In the last part of this work, SSC tests were performed at constant pH and constant PH2S, with various PCO2 from 0 to 100 bar. The objective was to experimentally confirm that increasing PCO2 increases the SSC risk, as inferred from the electrochemical study. Unfortunately, experimental artefacts linked with autoclave test conditions did not lead to clear conclusions on this point. However, this work shows that conventional tools might lead to underestimate SSC risks at high PCO2 and low PH2S. In these specific conditions, the new results presented in this report may contribute to improve materials selection criteria for high pressure and high temperature conditions.