La technologie des capteurs à ondes élastiques de surface, appelés SAW pour Surface acoustic waves, existe depuis une cinquantaine d’années. Cette technologie est largement utilisée dans l’industrie des télécommunications et en perpétuelle évolution pour la réalisation de microcapteurs dans des secteurs à fortes contraintes tels que l’aéronautique, l’automobile, la métallurgie ou encore dans le domaine du médical. Leur forte sensibilité aux conditions environnementales, leur taille réduite et la possibilité de les interroger à distance sans aucune électronique embarquée (capteurs passifs), confèrent à cette technologie un fort potentiel d’innovation pour une utilisation en environnements extrêmement hostiles, et notamment comme capteurs de températures, de pressions, de déformations, de concentrations d'espèces chimiques ou biologiques… Une voie d’innovation réside dans l’optimisation des électrodes de ces capteurs appelés IDTs pour InterDigital Transducers. Ces électrodes métalliques d’une centaine de nanomètres d’épaisseur sont structurées sous forme de peignes interdigités sur un substrat piézoélectrique. Nos travaux se sont focalisés sur le choix des matériaux pour la réalisation des IDTs pour une utilisation à très hautes températures. Cela impose de trouver un matériau conducteur, stable physiquement et chimiquement, dont la mise en forme en film mince (100 nm d'épaisseur typique) n’altère pas son fonctionnement dans ces conditions d’usage extrêmes : températures voisines de 1000°C sous atmosphère oxydante. Une étude récente a mis en évidence la pertinence de l’utilisation d’alliages binaires Ir-Rh massifs pour des applications connexes de celles visées. L’objectif de ce projet est de transposer les propriétés des alliages Ir-Rh massifs à des films minces de même nature, en collectant de nouvelles données thermodynamiques relatives au système métallique Ir-Rh. Malgré les difficultés des analyses thermiques qui ont été menées jusqu’à 2300 °C, nous avons pu réaliser les premières mesures expérimentales des températures d’équilibres solide-liquide (solidus et liquidus) de quelques alliages Ir-Rh. Une part importante du travail a ensuite été consacrée à la réalisation de campagnes de dépôts de films minces Ir Rh afin d’optimiser les paramètres clés du dépôt permettant l’obtention de films présentant les stœchiométries et microstructures recherchées. Enfin, l’évaluation des performances des dispositifs SAW, élaborés à partir des films minces optimisés, a donné des résultats très prometteurs : après une phase de stabilisation dans les premières heures de recuit, le signal SAW s’est montré constant tout au long d’une période de 2 mois dans l’air à 800 °C. / The surface acoustic waves (SAW) technology was invented approximately fifty years ago. This technology is currently widely used in the telecommunication industry to make, among others, GHz-range filters. Another very active development axis for the SAW technology is related to the achievement of micro sensors (to measure temperatures, pressures, deformations, concentrations of chemical or biological species) for industrial sectors with strong constraints such as aerospace, automotive, metallurgy, or medical sectors. Their high sensitivity to environmental conditions, their small size and the possibility to interrogate them remotely without adding any embedded electronics (passive sensors), provides SAW sensors a high innovation potential, in particular for applications taking place in hostile environments. SAW devices are constituted by a piezoelectric substrate on which are patterned electrodes from a conductive film. These electrodes are typically 100 nm-thick and are called, because of their shape, interdigital transducers (IDT). Our work was mainly focused on the choice of materials for the realization of IDTs to be used at very high temperatures, in air, for weeks periods, the current state-of-the-art operating temperature being close to 850 °C. Achieving high temperature IDTs requires finding a conductive material, physically and chemically stable under oxidizing conditions up to 1000°C, which retains its properties when grown as a thin layer. A recent study has highlighted the relevance of bulk Ir-Rh binary alloys for applications closely related to the targeted ones. The objective of this project is to transfer the properties of bulk Ir-Rh alloys to Ir-Rh thin layers, by collecting new thermodynamic data for the Ir-Rh binary system. Despite the difficulties of thermal analyses which were conducted up to 2300 °C, we have been able to carry out the first experimental measurements of solid-liquid temperatures equilibria (solidus and liquidus) of some Ir-Rh alloys. An important part of the work was afterwards devoted to the realization of Ir-Rh thin films deposition campaigns to optimize the key parameters and obtain films having the relevant stoichiometry and microstructure. Finally, the performance of SAW devices, made from optimized thin films, was evaluated. Very promising results were obtained: after a stabilization phase in the early hours of annealing, the SAW signal was unchanged throughout a 2 months period at 800 °C in air atmosphere.

En raison d’une combinaison de propriétés physiques, chimiques et mécaniques remarquables, les alliages de titane et de titane sont devenus des candidats prometteurs dans le domaine de l'industrie chimique, de l’aéronautique, de l'aérospatiale et des matériaux biomédicaux. Durant les procédures de fabrication ainsi qu’en service, les composants sont exposés à des environnements tels que la surface de ces composant seront exposées à l’hydrogène. Par conséquent, la compréhension de l’interaction de ces matériaux avec l'hydrogène lors de divers procédés de d’élaboration et de mise en forme est importante afin que leurs propriétés et leurs performances puissent être contrôlées et prédites de manière fiable. Dans le but d'améliorer les propriétés et les performances du titane et de réduire le coût de fabrication des produits en titane, le présent travail se concentre principalement sur les effets de l'hydrogène sur le laminage à froid et le phénomène de recristallisation de deux titanes caractérisés par une structure cristalline différente, c'est-à-dire une structure hexagonale et cubique cubique pour respectivement le titane de pureté commerciale Ti50A et l'alliage de titane β-métastable β-21S. Étant donné que la microstructure du titane et de ses alliages est le facteur contrôlant leurs propriétés et leurs performances, l'évolution microstructurale en présence d'hydrogène introduit par deux méthodes distinctes a été analysée par une combinaison de techniques expérimentales incluant DRX, SEM-EBSD et TEM. L'introduction de l'hydrogène dans le Ti50A par une méthode électrolytique a conduit à la précipitation de deux types d'hydrures (δ-TiHx, ε-TiH2) dans la matrice de phase , et il a été constaté que la fraction volumique de ces hydrures augmentait avec la durée du temps de chargement électrolytique. En raison du mode de formation par précipitation à partir des joints de grains, cinq relations d'orientation (OR) entre la -phase et l'hydrure δ-TiHx ont été déterminées par analyses des projections stéréographiques, et parmi celles-ci trois nouvelles relations d'orientation ont pu être mise en évidence. En outre, la corrélation entre la texture de laminage et la précipitation à l'hydrure a pu être établie. On a constaté que l'existence de la texture de de laminage facilitait la précipitation d'hydrure δ suivant l'orientation d’orientation de type OR2. Les analyses de rayons X révélaient un élargissement des pics de diffraction de la phase , ce qui indiquait une augmentation de la densité de dislocation, ces dislocations étant nécessaires pour tenir compte de l'inadéquation du réseau entre les hydrures et la matrice. Sur la surface d’échantillons déformés en compression, l'observation des traces de glissement et de macle de tension de type TT1 {10 2} < 011> dans les -grains contenant des hydrures a suggéré que les hydrures avaient une certaine capacité à supporter une déformation de cisaillement, en fonction des relations d'orientation entre la matrice et les hydrures mais aussi de leur épaisseur. Bien qu'aucune corrélation directe entre la nucléation des macles et la présence des hydrures n’ait été établie dans cette étude, l'effet des hydrures sur le développement des macles a été constaté. En étudiant l’effet de l'hydrogène sur le comportement au laminage à froid dans Ti50A, il a été possible de montrer que la formation de macle de type TT1 peut être facilitée par l'augmentation du rapport c/a de la maille hexagonale résultant de l’addition de l'hydrogène et de l'existence de contraintes locales générées par la précipitation des hydrures. Un raffinement de la microstructure a également été observé dans le Ti50A hydrogéné, ce qui suggère que la présence d'hydrures a tendance à générer de nouveaux grains de fortes désorientations (HAB). En outre, de nombreuses dislocations géométriquement nécessaires (GND) permettant de tenir compte de l'incompatibilité de contrainte entre l'hydrure et [...] / Due to an attractive combination of physical, chemical and mechanical properties, titanium and titanium alloys have become promising candidates in the field of chemical industry, aerospace and biomedical materials. During manufacturing procedures and applications, components are exposed to environments that can act as sources of hydrogen. Therefore, understanding their interaction with hydrogen upon various mechanical/thermal processing is important so that their properties and performance can be controlled and reliably predicted. With the aim of enhancing the properties and performance of titanium and reducing the cost of manufacturing products, the present work is primarily focusing on the effect of hydrogen on the cold rolling behavior and the subsequent annealing of titanium and titanium alloy characterized by different crystalline structure, i.e. hexagonal and body cubic centered (bcc) structure for the commercial pure titanium Ti50A and metastable β-titanium alloy β-21S, respectively. Since the microstructure of titanium and its alloys is the governing factor that determines their properties and performance, the microstructural evolution in the presence of hydrogen upon various procedures was analyzed by combination of XRD, SEM-EBSD and TEM. The introduction of hydrogen in Ti50A by electrolytic method induced the precipitation of two types of hydrides (δ-TiHx, ε-TiH2) in the  phase matrix, and it was found that the volume fraction of these hydrides increased as the charging time increased. Five orientation relationships (ORs), three of them being new orientation relationships ever reported, between the -phase and the hydride δ-TiHx were determined. Moreover, the correlation between the rolling texture and the hydride precipitation was also established. It was found that the existence of the rolling texture facilitated the precipitation of δ-hydride following the OR2-type orientation relationship. X-ray analyses revealed a broadening of the diffraction peaks corresponding to the  phase, indicating a increase of the dislocation density, these dislocations being necessary to accommodate the lattice misfit between hydrides and the matrix. Under compression loading, the observation of slip traces and tension twin {10 2}< 011> TT1 in the -grains containing hydrides, suggested that the hydrides had a certain ability to accommodate the imposed shear strain, depending on the orientation relationships between the matrix and the hydrides as well as on their thickness. Although no correlation between the nucleation of twinning and the hydride could be established in this study, the hydrides seemed to play an important role on the development of twinning deformation. The effects of hydrogen on the cold rolling behavior in Ti50A showed that, the formation of TT1tension twins can be facilitated due to the increase of the c/a ratio owing to the hydrogen addition and the existence of local stresses generated by the precipitation of hydrides. The refinement of the microstructure was also observed in the hydrogenated Ti50A-H suggesting that the presence of hydrides can enhance the generation of high angle boundaries (HABs). In addition, the formation of numerous geometrically necessary dislocations (GND) allowing the accommodation of the strain incompatibility between the hydride and matrix could be worked out by SEM-EBSD, which also confirmed analyses of the X-ray traces. In the case of β-21S alloy, with bcc structure that can accommodate a larger concentration of interstitial atoms, hydrogen was introduced by gas method. The effect of hydrogen on the microstructure was found to be closely related to the hydrogen concentration. In the range of hydrogen/metal ratio 0.052 < H/M < 0.300, the microstructure consisting of the single β-phase showed that the dissolved hydrogen atoms expanded the bcc β-lattice and suppressed the decomposition of the β phase upon cooling [...]

La fissuration à chaud de solidification qui est l'un des problèmes majeurs rencontrés dans le cadre du soudage pourrait être préjudiciable à la tenue en service de structures mécano-soudées. Ce phénomène correspond à la formation de fissures en fin de solidification sous l'effet des déformations induites par les contraintes thermiques et le retrait de solidification. Ces travaux de thèse portent sur la modélisation de la fissuration à chaud dans un alliage base nickel en soudage TIG. L'objectif est de proposer une méthodologie permettant d'estimer le risque de fissuration dans l'Inconel 600. Pour cela des essais de soudage instrumentés en température ont été développés de manière à déterminer les conditions d'apparition et de propagation du défaut. Ces essais ont ensuite été modélisés dans l'optique d'établir un critère de fissuration fondé sur la déformation de l'alliage en fin de solidification, déformation qui ne peut être mesurée expérimentalement. La principale valeur ajoutée de cette étude réside dans le fait que le comportement viscoplastique du matériau utilisé lors de la modélisation a été déterminé expérimentalement de la température ambiante à la zone de transition pâteuse au moyen d'essais de caractérisation mécanique spécifiques. Les essais réalisés à l'état semi-solide pour des températures avoisinant 1400 °C ont notamment alimenté un modèle de zone cohésive permettant de modéliser la propagation des fissures. Cette approche couplant expériences et modélisation a ainsi conduit à l'identification d'un critère de fissuration à chaud intrinsèque à l'Inconel 600. / Hot cracking which is one of the major problems in welding may be prejudicial to the safety of welded structures. This phenomenon corresponds to the formation of irreversible cracks at the end of solidification, due to tensile strains associated with solidification shrinkage and thermal contraction. This work focuses on the hot cracking modeling during the welding of a Nickel based alloy. The aim is to propose a methodology which allows estimating the hot cracking risk in the Inconel 600 alloy. To achieve that purpose, self-restrained welding tests with temperature measurements have been developed in order to identify the conditions leading to the defect formation and propagation. These tests have then been modeled to establish a hot cracking criterion based on the strain applied on the alloy at the end of solidification, strain which cannot be experimentally measured. The originality of this study consists in the fact that the viscoplastic behaviour of the studied material (used for thermomechanical modeling) has been determined experimentally from room temperature up to the mushy zone using specific set-ups. Mechanical characterization tests performed in the semi-solid state at temperatures approaching 1400 °C also allowed feeding a cohesive element model leading to crack propagation modeling. This approach coupling experiments with modeling thus led to the identification of a hot cracking criterion intrinsic to Inconel 600.

Ce travail de thèse est consacré à l’étude de la dissipation mécanique produite par des alliages à mémoire de forme Cu-Zn-Al lors d'un chargement mécanique cyclique, ainsi qu'à l’influence de la composition chimique sur cette grandeur. Divers alliages ont été élaborés dans ce but, chacun présentant une faible variation de composition par rapport à l’autre. Une procédure expérimentale originale a été mise au point pour mesurer cette dissipation mécanique car elle se traduit par une source de chaleur très inférieure à celles dues à d’autres phénomènes comme la chaleur latente de changement de phase ou le couplage thermoélastique. Les éprouvettes ont ainsi été soumises à divers essais cycliques à température ambiante constante alors qu’une caméra infrarouge filmait les champs thermiques sur leur surface. Ces films thermiques ont ensuite été traités pour en extraire cette dissipation mécanique. Divers niveaux de dissipation correspondant à divers niveaux d’irréversibilité mécanique ont ainsi été mis en évidence. / The study deals with the mechanical dissipation in Cu-Zn-Al shape memory alloys subjected to cyclic mechanical loading, as well as with the influence of the chemical composition on this dissipation. Various alloys were prepared for this purpose, each of them featuring a slight change with respect to the others. An original procedure has been proposed to measure mechanical dissipation because it is very low compared to other heat sources such as latent heat or thermoelastic coupling. The specimens have been subjected to cyclic tests at constant ambient temperature while an infrared camera grabbed the thermal images. These thermal maps have been then processed to extract mechanical dissipation. Various levels have been found, corresponding to various levels of mechanical irreversibilities.

Ce travail est dédié à l'étude de l'effet des champs magnétiques sur les propriétés magnétiques et le comportement à la solidification d'alliages à base de Cobalt en surfusion sous champ magnétique intense. Les alliages à base Co sont d'excellents candidats pour obtenir une surfusion en dessous ou proche du point de Curie sous champ intense en raison du faible écart entre ce point de Curie et la température du liquidus. Dans cette étude, un dispositif haute température de surfusion intégrant une mesure magnétique a été construit dans un aimant supraconducteur, et est utilisé pour la mesure in situ de l'aimantation de liquides surfondus et pour l'étude du sur-refroidissement et de l'évolution de la microstructure de solidification en champ intense. Le cobalt liquide en surfusion est fortement magnétique sous champ, et son aimantation est même supérieure à celle du solide au chauffage à la même température. L'aimantation de l'alliage proche eutectique Co-B en surfusion dépend de la température de surchauffe, tandis que le Co-Sn en surfusion est toujours paramagnétique. La surfusion moyenne et l'étendue de la recalescence de différents métaux et alliages est affectée par un champ externe. En champ magnétique uniforme, la surfusion du Cuivre est amplifiée, tandis que la surfusion du Cobalt et de Co-Sn reste identique. Cependant, l'étendue de la recalescence du Cobalt et de Co-Sn est réduite, et l'effet est d'autant plus important pour des teneurs supérieures en Cobalt. Le champ magnétique promeut la précipitation de la phase dendritique a-Co et la formation d'eutectique anormal dans la microstructure des alliages Co-Sn surfondus. Les processus d'évolution de la microstructure sont affectés par le champ magnétique, et dépendent de l'intensité du champ et de la surfusion. Ce travail offre de nouveaux horizons dans l'étude des propriétés magnétiques d'alliages métalliques en forte surfusion et dans l'étude de la solidification hors équilibre sous champ magnétique intense. / This work is devoted to the investigation of the magnetic field effect on the magnetic properties and solidification behavior of undercooled Co based alloys in high magnetic field. Co based alloys are promising candidates to be undercooled below or approaching their Curie point in strong magnetic field due to their small temperature difference between liquid line and Curie point. In this dissertation, a high temperature undercooling facility with magnetization measurement system is built in a superconducting magnet, and is used for in situ measurement of the magnetization of the undercooled melts and study the undercoolability and solidification microstructure evolution in magnetic field. The deep undercooled Co melt is strongly magnetized in magnetic fields, and its magnetization is even larger than the magnetization of heated solid at the same temperature. The magnetization of undercooled Co-B near eutectic alloy is related with overheating temperature while the undercooled Co-Sn melt is always in paramagnetic state. Mean undercooling and recalescence extent of different metals and alloys are affected by external field. In uniform magnetic field, the undercooling of Cu is enhanced while the undercoolings of Co and Co-Sn keep constant. However, the recalescence extents of Co and Co-Sn alloys are reduced, and with the increasing Co content, the effect becomes larger. Magnetic field promotes the precipitation of αCo dendrite phase and the formation of anomalous eutectics in solidified microstructure of undercooled Co-Sn alloys. The microstructure evolution processes are affected by magnetic field depending on the field intensity and undercooling. This work opens a new way to investigate the magnetic properties of deeply undercooled metallic melts and non-equilibrium solidification in strong magnetic fields.

Les alliages Al-Si sont largement utilisés dans l’industrie automobile en fonderie sous pression, en particulier pour la fabrication des blocs moteurs, en raison de leurs bon rapport résistance/ poids et leurs excellentes propriétés mécaniques. Du fait de l’internationalisation de la production, la composition chimique de ces alliages et les paramètres du procédé HPDC peuvent varier d’un pays à l’autre, ils peuvent même varier d’un site de fabrication à l’autre dans le même pays. Or, les conceptions des pièces automobiles sont aujourd’hui de type déterministe et elles sont réalisées sur la base des matériaux et procédés européens, ce qui peut affecter les propriétés de ces pièces dans le cas d’une localisation hors Europe. Ainsi, il est important de pouvoir adapter les conceptions rapidement et à moindre coût en prenant en compte les contraintes matériau/ process locales. Dans cette thèse, nous avons proposé une approche méthodologique permettant de prédire les caractéristiques mécaniques en fonction de la variabilité matériaux/ process en s'appuyant sur une étude expérimentale/ statistique de l’effet de la variabilité des principaux éléments d’alliage (Si, Cu, Mg) et des paramètres procédé (température de la coulée et pression d’injection) sur les propriétés mécaniques des alliages d’Al-Si moulés sous pression. La microstructure et le taux de porosités ont également été évalués. Cette méthodologie a abouti à la construction d’un outil de conception produit permettant de prédire les caractéristiques mécaniques dans le cas du changement de l’un (ou des) paramètres Matériau/ Process. / Secondary Al-Si alloys are widely used in automotive industry for engine blocks because they offer a considerable weight reduction whilst maintaining good mechanical properties. The ever-expanding internationalisation of production, with same stages of production processes spread across a number of countries to produce locally, causes however high variability in the casting products. The chemical composition of the same alloys and the working variables of the unchanged high-pressure die casting process (HPDC) may change for the same casting parts from one country to another, they can even sometimes vary from one manufacturing site to another within the same country. Designing for aluminium automotive components does call today for new deterministic design methods that are often achieved from European material and casting process databases, which can affect the properties of these parts in the case of a location outside Europe. Thus, it is important to adapt the design of die casting parts quickly and inexpensively by taking into account the material and process local constraints. In this work, a methodological approach which permits to predict mechanical properties as a function of material and process variability based on an experimental/ statistical study on the effect of the variability of the primary factors of alloying elements contents (Si, Cu and Mg) and HPDC process parameters (casting temperature and injection pressure) on mechanical properties of die cast aluminium alloys has been proposed. The microstructural features and the porosity level were also investigated and assessed. This approach has resulted in statistical design tool that will allow designers to make changes to the design of their casting and to industrialize them outside Europe.

Dans ce travail, basé sur une approche semi empirique de conception d’alliages de titane à propriétés mécaniques contrôlées, un alliage modèle binaire Ti-12Mo (% massique) et des alliages ternaires sur la base du système Ti-Mo ont été élaborés, combinant des effets TRIP et TWIP lors de la déformation. (TRIP – Transformation Induced Plasticity : plasticité induite par transformation ; TWIP – Twinning Induced Plasticity : plasticité induite par maclage).Les résultats des essais mécaniques montrent que ces alliages présentent une haute résistance mécanique (1000-1200 MPa), une grande plasticité (entre 0,3 et 0,4) et un écrouissage amélioré grâce aux effets simultanés TRIP/TWIP. Différentes techniques de caractérisation telles que la diffraction de rayons X conventionnelle (XRD), la diffraction in-situ sur Synchrotron (SXRD), la diffraction d’électrons rétro-diffusés (EBSD), les mesures de résistivité électrique (ERM), la microscopie électronique en transmission (TEM) et les mesures et traitements automatiques des orientations cristallographiques associées (ACOM/TEM), ont été mis en œuvre pour étudier les mécanismes de déformation, les transformations de phases et l’évolution microstructurale.Différents mécanismes de déformation, tels que le maclage mécanique {332}<113> et la transformation martensitique induite sous contrainte α˝ ont été identifiés à l’issue des essais mécaniques, permettant d’expliquer l’excellente combinaison de propriétés mécaniques obtenue. L’optimisation microstructurale de ces alliages a été conduite à partir de recuits basses températures dans le domaine de précipitation de la phase ω avec pour objectif d’améliorer les propriétés mécaniques afin de contrôler la formation de la phase ω sans modifier de manière excessive la composition chimique de la matrice β, et conserver les effets combinés TRIP/TWIP. / In this work, based on combination of the ‘d-electron alloy design method’ and controlling of electron/atom ratio (e/a), a model of binary Ti-12Mo (wt. %) and ternary Ti-Mo based alloys were designed, induced combined TRIP and TWIP effects (TRIP for Transformation Induced Plasticity and TWIP for Twinning Induced Plasticity). The tensile results show that so-designed alloys exhibit true stress-strain values at uniform plastic deformation, of about 1000-1200MPa and between 0.3 and 0.4 of strain, with a large strain-hardening rate. Several characterization techniques, such as conventional X-ray diffraction (XRD), In-situ Synchrotron X-ray diffraction (SXRD), electron backscatter diffraction (EBSD), electrical resistivity measurements (ERM), transmission electron microscopy (TEM) and automatic crystal orientation measurements (ACOM) TEM, were carried out to to investigate the deformation mechanisms and microstructure evolution sequence. Various deformation mechanisms, i.e. {332}<113> mechanical twinning, deformation induced ω phase and stress-induced α’’ martensite, were identified after mechanical testing, resulting in a combination of high strength, large ductility and improved strain-hardening rate. Furthermore, low temperature aging (LTA) treatments were performed on the Ti-12Mo alloy to improve the mechanical property through controlling the ω phase transformation without excessive modification of β matrix chemical composition, keeping the possibility for combined TRIP and TWIP effects to occur. The influence of LTA treatment on the mechanical behavior and microstructural evolution of Ti-12Mo alloy was discussed in detail.

La prévision de la durée de vie des composants des centrales REP, en particulier les générateurs de vapeur, est cruciale. De nombreux travaux ont été menés pour comprendre les mécanismes de détérioration des composants par corrosion sous contrainte. Ces mécanismes restent mal connus. La couche d'oxyde doit jouer un rôle prépondérant. Une méthodologie, associant les techniques ToF-SIMS in situ et XPS, a été développée pour déterminer les cinétiques d'oxydation et comprendre les mécanismes de croissance des couches d'oxyde. La cinétique, la composition et la stratification des couches d'oxyde formées dans l'eau à haute température sur l'alliage 600 ont été comparées à des couches d'oxyde modèles formées in situ dans les bâtis XPS et ToF-SIMS en milieu gazeux à 300°C sous faible pression d'oxygène. On montre ainsi que l'oxydation en milieu gazeux à 300°C est un bon modèle pour simuler l'oxydation en milieu primaire. Une méthodologie originale a ensuite été mise au point à l'aide du ToF-SIMS pour déterminer les mécanismes de transport des espèces. Des échantillons préalablement oxydés en phase gazeuse ou dans l'eau à haute température ont été, dans une deuxième étape, réoxydés in situ dans le bâti ToF-SIMS à la même température, sous basse pression d'oxygène isotopique 18. Il apparait que la croissance de l'oxyde est localisée à l'interface métal/oxyde du fait de la diffusion des anions O2-, des phénomènes d'échange isotopique se produisant simultanément à l'oxydation. Le coefficient de diffusion de l'oxygène a pu être déterminé à l'aide d'un modèle approprié développé au cours de ce travail. / The lifetime prediction of pressurized water reactor (PWR) components, especially the steam generators (SG), is of high interest. Several works have been dedicated to the understanding of the stress corrosion cracking (SCC) mechanisms. However these mechanisms are still relatively poorly understood. The oxide layer should play an important role. A methodology, combining in situ ToF-SIMS and XPS techniques, has been developed to determine the oxidation kinetics and to understand the oxide layer growth mechanisms. Kinetics, composition and stratification of the oxide layers, formed in high temperature water on Alloy 600, were compared to model oxide layers formed in situ at 300°C under a low oxygen pressure. It shows that thermal oxidation under low oxygen pressure is a suitable model to simulate the oxidation in high temperature water. Finally, an original methodology based on ToF-SIMS has been developed to determine the transport mechanisms governing the oxide growth. Samples previously oxidized under a low oxygen pressure or in high temperature water, are, in a second step, re-oxidized in situ in the ToF-SIMS chamber at the same temperature under low oxygen isotope 18 pressure. It appears that the oxide growth is located at the metal/oxide interface due to the diffusion of O2- anions, isotopic exchange phenomena occuring simultaneously with oxidation. The oxygen diffusion coefficient was determined using an appropriate model developed in this work.

Au cours des deux dernières décennies, l'essai d'indentation à haute température a été développé progressivement afin de satisfaire aux exigences industrielles de plus en plus importantes. Pour garantir un bon niveau de précision des mesures, il faut résoudre les problèmes notamment associés à la température élevée tels que le choix du matériau de la pointe, la stabilité thermique du système, la conception du chauffage, etc. Cette thèse s'inscrit dans la problématique du développement de la méthodologie de l'essai d'indentation à haute température pour caractériser les matériaux métalliques. Une attention particulière a été accordée à la recherche des matériaux candidats pour la pointe et à la détermination des plages de forces et de pénétrations utilisées au bon fonctionnement d'un indenteur. Les analyses éléments finis nous aident d'étudier l'influence de défauts tels que la présence d'un revêtement mince et celle d'un défaut d'alignement entre l'axe d'indentation et la surface d'échantillon. Pour trouver un bon matériau de pointe, il est nécessaire de tester la stabilité géométrique et chimique de différents matériaux candidats pouvant remplacer le diamant à haute température. La collaboration avec la société suisse Anton Paar, qui se spécialise dans la fabrication des machines de mesure pour la caractérisation mécanique d'une grande variété de matériaux, permet de développer un nouvel équipement de micro- et nano-indentation à haute température. En utilisant le nouvel dispositif, nous avons pu réaliser des essais d'indentation pour caractériser des propriétés mécaniques de différents matériaux et vérifier la stabilité thermique de cet instrument. / Over the past two decades, the high-temperature indentation experiment has been developed gradually to meet increasingly high industrial demand. ln order to guarantee a good level of accuracy of the measurements, it is necessary to solve the problems associated with high temperature, such as the choice of the indenter material, the thermal stability of the system, heating design, etc. This thesis aims to develop the methodology of the high-temperature indentation experiment to characterize metallic materials. Particular attention has been given to the search for candidate materials for the tip and to the determination of the force and penetration ranges used for the correct operation of an indenter. The finite element analysis helps us to study the influence of defects such as the presence of a thin film and that of a misalignment between the indentation axis and the sample surface. To find a better indenter material, it is necessary to test the geometric and chemical stability of different candidate materials that can replace the diamond at elevated temperature. The collaboration with the Swiss company Anton Paar, which specializes in the manufacture of measuring machines for the mechanical characterization of a wide variety of materials, enables the development of new high-temperature micro- and nano­-indentation equipment. By using the new device, we were able to carry out the indentation tests to characterize the mechanical properties of different materials and to check the thermal stability of this new instrument.

Les “alliages à haute entropie (de mélange)” (AHE) sont une nouvelle famille de matériaux prometteurs. Ils sont caractérisés par la formation d'une solution solide à 5 éléments (en proportions équiatomiques) de structure cristalline simple. Dans cette thèse, la composition cubique centrée TiZrNbHfTa est étudiée, proposant une caractérisation en profondeur d’un alliage considéré « de référence » dans la famille des AHE réfractaires.Tout d'abord, la microstructure et la structure de l’alliage (dans son état brut de coulée ou recristallisé) sont étudiées. L’environnement local de sous-systèmes de TiZrNbHfTa est analysé par EXAFS. Le traitement des données est effectué par une double approche d’affinement EXAFS et de simulation Reverse Monte-Carlo couplée à une approche d’algorithme génétique. Un mélange quasi-parfait des différents éléments est obtenu à l’échelle locale et la distribution de distance des premiers voisins devient moins bien définie sous l’effet de l’augmentation des différences entre rayons atomiques.Ensuite, l’impact de la solution solide concentrée sur les propriétés mécaniques et les mécanismes de déformation de l’alliage est étudié. Des essais mécaniques spécifiques sont effectués, conduisant à l’obtention des volumes d’activation et à la partition de la contrainte d’écoulement. Une étude MET complémentaire permet d'analyser les microstructures de déformation. Une très haute limite d’élasticité est obtenue, mais la force de friction de Peierls contrôle de manière classique la déformation de cet alliage à la température ambiante, ce qui conduit à un taux d’écrouissage limité. Une nouvelle approche visant à augmenter cette propriété est finalement proposée / High entropy alloys (HEA) are a new promising type of materials. Breaking with the traditional alloying concepts, solid solution(s) based on 5 elements in equiatomic concentration with simple crystal structures are obtained. In this study, the equiatomic composition TiZrNbHfTa is investigated, in order to provide an in-depth characterization of a “reference” body centered cubic refractory HEA.First, the microstructure and structure of the alloy are studied. Thermomechanical treatments procedures are established to access recrystallized microstructures. The local environment is studied by EXAFS in sub-components of the TiZrNbHfTa system. The double approach used, based on EXAFS fit and reverse Monte-Carlo coupled with evolutionary algorithm allowed to quantify both the mixing of the elements at the atomic scale and the lattice distortion. For all the investigated compositions, good mixing is achieved, and the distance distribution of first nearest neighbors becomes less precise with increasing atomic size mismatch.Then, the impact of such concentrated multi-element solid solution on the mechanical properties and the deformation mechanism of the material is investigated by specific tests. The activation volumes and the flow stress partition are extracted. The mechanical results are coupled with a TEM study. This part evidences that the alloy displays an impressive yield strength. However, the high lattice friction controlling the dislocation glide does not differ from classical bcc structures, leading to a rather low work hardening. A new design approach aiming at increasing the work-hardening in such materials is finally proposed, and a proof of concept is given