Pour les nouveaux réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium de Génération IV, les matériaux de gainage de référence pour les très forts taux de combustion sont les nuances ferritiques et martensitiques renforcés par une dispersion d'oxydes nanométriques (ODS). A l'heure actuelle le tube de gainage est mis en forme à froid à partir d'une ébauche tubulaire par une succession de passes de laminage à pas de pèlerin et de traitements thermiques intermédiaires. La modélisation numérique du procédé de laminage à pas de pèlerin pour ces nuances a été entreprise. Le modèle numérique d'élément finis tient compte de la cinématique complexe du procédé ainsi que du comportement du matériau sous chargements cycliques élasto-plastiques. Pour cela, le comportement cyclique des aciers ODS a été modélisé à l'aide d'un modèle élasto-plastique développé par Chaboche. Une procédure d'identification des paramètres du modèle a été proposée en utilisant une méthode d'analyse inverse. Cette procédure a été appliquée aux données expérimentales issues d'un essai cyclique sur une seule éprouvette. Utilisant une séquence de différentes amplitudes de déformations. Par ailleurs, l'utilisation de capteurs numériques a permis de suivre le chemin de déformation d'un élément de volume au cours du procédé afin d'estimer la nature et l'amplitude des déformations cycliques. L'identification du chemin de déformation est la première étape vers une meilleure compréhension des conditions critiques menant à des dommages et de fissures. L'acier ODS est également fortement texturé et mécaniquement anisotrope. Par conséquent, la possible influence de cette anisotropie sur le chemin de déformation est analysée en utilisant (i) une loi de comportement isotrope, et (ii) une loi anisotrope basée sur le critère de Hill quadratique. L'intégration d'une loi adaptée pour la prédiction de dommages ainsi que le choix d'une loi de comportement appropriée dans le modèle numérique proposé conduisent à la possibilité d'analyser les conditions pour lesquelles les fissures peuvent se développer, et la recristallisation peut avoir lieu au moment des traitements thermiques.

Ces dernières années les développements des traitements thermomécaniques ont conduit à l'utilisation de l'alliage 718 à l'état DA (Direct Aged). Cette optimisation de l'alliage conduit de façon générale à une augmentation de la durée de vie en fatigue mais aussi de sa dispersion. L'objectif de cette étude est d'une part la compréhension des mécanismes d'amorçage en fatigue et d'autre part la modélisation de la durée de vie et de sa dispersion. Dans un premier temps une étude expérimentale des sites d'amorçage de fissures de fatigue a permis d'identifier les particules comme principale source d'amorçage pour l'alliage à grains fins. Des essais de traction interrompus ont par ailleurs montré que leur fissuration se produit lors du premier quart de cycle en fatigue. Des essais de comportement en fatigue ont ensuite été réalisés pour différentes tailles de grain. Enfin, des mesures directes de propagation de petites fissures en fatigue oligocyclique amorcées sur des micro-défauts d'électroérosion ont été réalisées à l'aide d'un microscope à grande distance focale. Cette technique a permis d'observer l'interaction de microfissures. Un modèle de durée de vie en fatigue est proposé. Il est basé sur la compétition entre trois mécanismes d'amorçage: l'amorçage sur particules surfaciques, internes et en stade I. L'amorçage sur particules est considéré instantané au passage d'une contrainte seuil. Le nombre de cycles à l'amorçage en stade I est déterminé à l'aide du modèle de Tanaka et Mura. Le modèle de propagation utilisé est celui de Tomkins, identifié à partir des mesures expérimentales de propagation de petites fissures. Le modèle proposé comporte trois niveaux: déterministe, probabiliste et probabiliste avec prise en compte des phénomènes de coalescence de petites fissures.

L'objectif principal de cette thèse de doctorat est le développement et la caractérisation d'une connexion hybride balcon-plancher à usage de rupteur d( pont thermique pour bâtiments isolés par l'extérieur. Structurellement, elle doit assurer la transmission d'un moment de flexion important et un effort tranchant liés au porte-à-faux du balcon. Ce système est de la famille des connexions hybrides encore peu décrites dans la littérature scientifique et pou laquelle ces travaux apportent une contribution. Les solutions existantes pour corriger les ponts thermiques de balcon impliquent des contraintes architecturales ou techniques. Les rupteurs de ponts thermiques sont une solution pertinente structurellement et them1iqucment. Les principaux systèmes existants n'exploitent pas de technologie hybride béton-acier à ce jour. Le comportement mécanique du rupteur a d'abord été testé expérimentalement sous chargement vertical statique monotone lors d'une campagne de cinq essais. Les résultats mettent en évidence une réponse moment-rotation très ductile et conforme aux attentes des pré-dimensionnements. Dans le prolongement de l'interprétation expérimentale, un modèle semi-empirique a été développé. Le gain apporté par une disposition spécifique d'ancrage en traction par barres transversales soudées a pu être quantifié en comparaison avec les modèles analytiques existants. Le comportement différé de la connexion, imputable au nuage du béton à l'interface avec les éléments hybrides a fait l'objet d'une étude expérimental, Le lien entre l'évolution de la rotation de la connexion et le coefficient de nuage matériel a été établi. Un modèle numérique calibré sur les essais de chargement vertical a permis d'étudier en détail le fonctionnement de la clé de cisaillement du rupteur. La détermination des conditions aux limites du système a permis de justifier les diagrammes d'efforts sur la clé. Enfin, le dernier volet de ce travail de thèse concerne la justification en fatigue du système sous l'action de la dilatation thermique différentielle entre h balcon et le plancher. /\près une série d'essais en fatigue oligocyclique pour établir un critère de résistance et une étude de la sollicitation thermique, la durabilité du rupteur a pu être démontrée. Le développement du rupteur SUNE peut à ce stade être considéré comme abouti et pem1et d'en valider l'aptitude pour une gamme de produit. L'industrialisation et la commercialisation du produit passera nécessairement par une certification pour laquelle des justifications poussées sont d'ores et déjà établies et seront un gage de pertinence scientifique du système. / The main goal of this Ph.D. thesis is the development and characterization of a hybrid balcony-floor connection used as a thermal break for externally insulated buildings. Structurally, it must ensure the transmission of a significant bending moment and a shear force due to the balcony cantilever. This system belongs to the hybrid connections still poorly described in the scientific literature and for which this thesis makes a contribution. Existing solutions to avoid balcony's thermal bridges involve architectural or technical constraints. Thermal break systems are structurally and thermally relevant solutions. The main existing systems do not involve steel concrete hybrid technology to date. The mechanical behavior of the developped system has firstly been tested under vertical static loading during a campaign of five tests. The results show a very ductile moment-rotation response that meets design expectations. As an extension of the experimental interpretation, a semi-empirical model has been developped. The gain of stiffness obtained by a specific anchoring detail has been quantified in relation to existing analytical models. The creep behavior of the connection, due to the concrete creeping at the interface with the hybrid elements has been the object of an experimental study. The link between the evolution of the connection rotation and the material creep coefficient has been established. A finite element mode! has been calibrated on the vertical loading tests and allowed to study in detail the behaviour of the system's shear key. The determination of the boundary conditions of the system justifies the force diagrams on the key. The last part of this work concerns the justification of the system under the fatigue loading provoked by the differential thermal expansion between the balcony and the floor. A series of tests under oligocyclic fatigue loading was performed to establish a resistance criterion and a study of the actual thermal stress action was completed. Finaly, the durability of the connection has been demonstrated. The development of this hybrid connection can be successfully considered and validates the suitability for a range of products. The industrialization and marketing of the product will go through a certification for which the justifications are already established and will be a guarantee of the scientific relevance of the system.

Ce travail constitue une contribution visant à décrire le comportement et prédire la durée de vie en fatigue d'aciers à outils pour travail à chaud. Pour y parvenir, la méthodologie suivie, s'articule autour de deux parties complémentaires qui sont l'étude de modèles de comportement et de durée de vie adaptés aux aciers martensitiques revenus. Le comportement cyclique des aciers X38CrMoV5 (47HCR) et 55NiCrMoV7 (42 HCR) a été étudié dans différentes conditions de sollicitations et de température. L'influence de la vitesse et de l'amplitude de déformation, des temps de maintien dans les cycles ainsi que les effets de rochet ou d'accommodation plastique pour des essais pilotés en contrainte ont été inclus dans la modélisation. Deux modèles (ONERA, 2M1C) s'inscrivant dans le cadre des processus irréversibles de la thermodynamique ont été considérés. Ils ont été présentés et identifiés avec succès par niveau de complexité croissant selon les types de sollicitations pris en compte. Comparé au modèle ONERA, le modèle 2M1V permet les meilleures descriptions des essais en déformation et des essais à contrainte imposée. En outre,deux mécanismes différents issus du modèle ont été rattachés aux évolutions de microstructure (dislocations, carbures) identifiées en fatigue oligocyclique. Deux étapes de validation ont ensuite été menées fournissant des résultats encourageants: la première, dans une configuration isotherme à l'aide d'essais à déplacement imposé réalisés sur des éprouvettes à concentration de contraintes, la deuxième anisotherme à partir d'essais de fatigue thermique menés conjointement avec l'université de KARLSTAD (Suède). L'étude de la durée de vie de l'acier X38CrMoV5 a été abordée dans une deuxième partie. Afin de couvrir une large gamme de sollicitations comparable à celle induite dans les procédés de mise en forme à chaud, des essais LCF ont été effectués pour compléter la base expérimentale existante. Les mécanismes d'amorçage et de propagation en fatigue relaxation à 560°C ont de plus été étudiés. Enfin, un modèle d'endommagement continu anisotherme de type ONERA a été identifié. L'analyse des résultats expérimentaux utilisés lors de l'identification n'a pas fait apparaître de mécanisme dépendant du temps, aussi seule la composante d'endommagement de fatigue a été activée dans la modélisation. La dernière phase de cette étude concerne la validation du modèle de durée de vie. Les prédictions fournies par le modèle ont été comparées avec le nombre de cycles à rupture issu d'essais LCF et TMF d'un précédent travail.

Bien que l'amorçage de fissure joue un rôle important en fatigue, ses mécanismes ne sont pas encore pleinement compris. Des critères d'amorçage basés sur des mécanismes physiques de déformation plastique ont été proposés mais ne sont pas faciles à utiliser et à valider, car ils nécessitent des variables locales à l'échelle du grain. L'étude présente vise à établir un critère d'amorçage en fatigue oligocyclique, utilisable sous chargement d'amplitude variable.Le comportement mécanique de l'acier inoxydable AISI 316L étudié a été caractérisé en fatigue oligocyclique. Il a été modélisé par un schéma autocohérent utilisant une loi de plasticité cristalline basée sur l'évolution des densités de dislocations. L'endommagement de surface a été suivi pendant un essai de fatigue à l'aide d'un dispositif de microscopie optique in situ. Les fissures présentes après 2000 cycles ont été analysées et leurs caractéristiques cristallographiques calculées.Comme les grains de surface montrent une déformation plus importante à cause d'un moindre confinement par les grains voisins, il est nécessaire de définir une loi de localisation spécifique aux grains de surface. La forme proposée fait intervenir une variable d'accommodation intergranulaire, sur le modèle de la loi de localisation de Cailletaud-Pilvin. Elle a été identifiée à partir de simulations par éléments finis. L'état des contraintes et des déformations dans les grains de surface a alors été simulé. Des indicateurs d'amorçage potentiels ont ensuite été comparés sur une même base expérimentale. Deux indicateurs pertinents de l'endommagement en fatigue ont pu être obtenus.

La thèse a pour thème la modélisation numérique et la prédiction de l'endommagement (l'usure ou la fissuration) dû au contact avec frottement avec petits débattements (fretting). Elle comporte deux parties. Dans la première partie, une nouvelle méthode de calcul éléments finis est développe pour les chargements cycliques. Contrairement aux algorithmes classiques incrémentaux, cette méthode est basée sur un algorithme original qui permet d'obtenir directement l'état stabilisé mécanique éventuel. La méthode est itérative et consiste à chercher sur tout le cycle de chargement, en un premier temps des solutions statiquement et cinématiquement admissibles, et puis après des solutions plastiquement admissibles. A la fin de chaque itération, la condition de périodicité est imposée. Et ainsi, lorsque l'algorithme converge, on obtient des champs de contraintes et de déformations périodiques et vérifiant l'équilibre et la loi de comportement sur tout le cycle. La comparaison des temps de calculs par rapport à la méthode incrémentale a démontré la performance de cette méthode. Dans la deuxième partie, cette méthode est mise en oeuvre dans le cas du chargement cyclique mobile de fretting. Ainsi des cartes d'adaptation et d'accommodation sont établies en fonction de divers paramètres. Les résultats de prédiction de l'initiation des fissures de fatigue faite par l'application du critère multiaxial de DANG VAN sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux. L'usure est obtenue pour une réponse mécanique de type accommodation et elle est donc le résultat d'un mécanisme de fatigue oligocyclique.

Les chargements thermomécaniques caractéristiques des moteurs de fusée sont souvent complexes et induisent, en particulier, des fluctuations rapides et importantes de la température. Dans ce contexte, la qualification du comportement des matériaux métalliques requiert la mise en oeuvre d'une approche cohérente avec les différentes réponses observées expérimentalement sur une large gamme de température. Celle ci est appliquée, dans notre étude, à la modélisation du comportement élasto viscoplastique et de l'endommagement de deux alliages utilisés dans l'industrie aérospatiale : l'Inconel 600 et le Narloy Z. Les spécificités relatives aux différentes étapes de caractérisation expérimentale, modélisation et identification des modèles sont explicitées, de façon à dégager les éléments de généralisation de la démarche. Ceci permet d'envisager l'application des différents résultats obtenus à des problématiques concrètes telles que la prédiction de la durée de vie de nouveaux composants.

L'objectif de ce travail est de proposer une méthodologie simple pour évaluer l'intégrité et la durée de vie d'échangeurs thermiques soudés. Une approche à deux échelles est proposée. Une description macroscopique avec la prise en compte de la structure de l'échangeur est menée pour permettre des calculs thermoélastiques par éléments finis. La réponse mécanique de l'échangeur pour deschargements thermiques, cycliques, simples est évaluée. Notamment, les zones de concentration decontraintes sont repérées. A partir cette étude, une étude micromécanique du comportement dumatériau composant l'échangeur est menée. Le matériau considéré est un acier 316L. Soncomportement élastoplastique est identifié avec un écrouissage isotrope et cinématique. La tenuemécanique pour des chargements en fatigue oligocyclique est évaluée à l'aide d'un dispositif deflexion 4 points alternée et un critère de Manson-Coffin est identifié. Ce critère est utilisé pour évaluerle nombre de cycle admissible par l'échangeur pour une amplitude de chargement donnée. Pour cela,la déformation plastique attendue dans l'échangeur est évaluée à partir d'une équivalence en énergieaux endroits où la contrainte se concentre. Les prédictions du modèle ont été comparées de manièresatisfaisante avec les résultats expérimentaux menés sur un échangeur test, pour la réponsethermoélastique que pour l'évaluation du nombre de cycles à rupture.

Ce travail est une contribution à une étude de recherche et développent, proposée par Hydro Aluminium, dans le domaine des mécanismes d'endommagement de filières d'extrusion et. L'originalité du travail de thèse est basée sur le développement d'un alliage Inconel 718 optimisé pour l'application spécifique de filière d’extrusion, ce qui représente un saut technologique dans l'emploi de ce superalliage dans le domaine des outils. L'impact des paramètres du procédé d'extrusion, appelés paramètres extrinsèques, - tels que la vitesse d'extrusion, la longueur de billette, le chargement thermo-mécanique - sur le comportement mécanique du matériau a été analysé. Les cycles traction-compression sont simulés à l'aide d’essais isothermes de fatigue oligocyclique (LCF) qui donnent des informations sur les différents mécanismes d'endommagement survenant dans la filière. Du point de vue scientifique, la sollicitation de fatigue oligocyclique isotherme (LCF) est considérée comme la plus représentative des conditions thermomécaniques agissant sur l'outil. Les résultats montrent que la vitesse de déformation et de temps de maintien ont un impact significatif sur la durés de vie en fatigue. Le développent du matériau, enfin, a été atteint en modifiant les paramètres intrinsèques au matériau - tels que la taille des grains et la morphologie des précipités intermétalliques. Des traitements thermiques alternatifs, permettant d'adapter le matériau aux conditions spécifiques imposées par le procédé d'extrusion, ont été formulés. Des essais de fatigue LCF supplémentaires, ont permit de comparer la réponse cyclique de ces nouvelles nuances à celle du traitement original. Un de ces traitement, élaboré au travers d’une approche pluridisciplinaire incluant les aspects métallurgie, chimie et mécanique, a été retenu comme la nouvelle procédure standard pour le traitement des matrices d'extrusion en Inconel 718. / This present work is a contribution to an extensive development study, promoted by Hydro Aluminium, in the field of the damage mechanisms of extrusion dies. The originality of the present work is based on the development of an optimized Inconel 718 alloy as bulk material for extrusion die., which corresponds to a new application of this alloy in the field of tools: The investigation of the impact of the so called “Material Extrinsic Parameters”, such as extrusion speed, billet length and thermo-mechanical loading on the mechanical behaviour of the material is proposed. The cyclic tensile and compressive stresses, acting on the die, are simulated by isothermal Low Cycle Fatigue (LCF) tests. Results show that strain rate and holding time have a significant impact on fatigue life. These considerations represent the “Input Data” for the design of an optimized Inconel 718 in order to adapt the material to the specific conditions imposed by the extrusion process. This objective is achieved by modifying the “Material Intrinsic Parameters” such as grain size or precipitates morphology through the formulation of alternative thermal treatments. Additional LCF tests, are carried out to compare the cyclic response of the alternative Inconel 718 grades. One of this treatment, elaborated by a multidisciplinary approach including metallurgical, chemical and mechanical experiments that has been implemented in the industrial production practice as the new standard procedure for the thermal treatment of the Inconel 718 extrusion dies.

Bien que l’amorçage de fissure joue un rôle important en fatigue, ses mécanismes ne sont pas encore pleinement compris. Des critères d'amorçage basés sur des mécanismes physiques de déformation plastique ont été proposés mais ne sont pas faciles à utiliser et à valider, car ils nécessitent des variables locales à l'échelle du grain. L'étude présente vise à établir un critère d'amorçage en fatigue oligocyclique, utilisable sous chargement d'amplitude variable.Le comportement mécanique de l'acier inoxydable AISI 316L étudié a été caractérisé en fatigue oligocyclique. Il a été modélisé par un schéma autocohérent utilisant une loi de plasticité cristalline basée sur l'évolution des densités de dislocations. L'endommagement de surface a été suivi pendant un essai de fatigue à l'aide d'un dispositif de microscopie optique in situ. Les fissures présentes après 2000 cycles ont été analysées et leurs caractéristiques cristallographiques calculées.Comme les grains de surface montrent une déformation plus importante à cause d'un moindre confinement par les grains voisins, il est nécessaire de définir une loi de localisation spécifique aux grains de surface. La forme proposée fait intervenir une variable d'accommodation intergranulaire, sur le modèle de la loi de localisation de Cailletaud-Pilvin. Elle a été identifiée à partir de simulations par éléments finis. L'état des contraintes et des déformations dans les grains de surface a alors été simulé. Des indicateurs d'amorçage potentiels ont ensuite été comparés sur une même base expérimentale. Deux indicateurs pertinents de l'endommagement en fatigue ont pu être obtenus. / Although crack initiation is proved to play an important role in fatigue, its mechanisms have not been fully understood. Some crack initiation criteria based on physical mechanisms of plastic deformation have been defined. However, these criteria are not easy to use and valid, as they need local variables at the grain scale. The present study aims at establishing a crack initiation criterion in low-cycle fatigue, which should be usable under variable amplitude loading conditions.Tension-compression fatigue tests were first carried out to characterize the mechanical behavior of the stainless steel AISI 316L studied. The mechanical behavior was simulated using a self-consistent model using a crystalline plastic law based on dislocation densities. The evolution of surface damage was observed during a fatigue test using an in situ optical microscopic device. Cracks were analyzed after 2000 cycles and their crystallographic characteristics calculated. As surface grains exhibit larger strain because they are less constraint by neighbor grains, a specific numerical frame is necessary to determine stress state in surface grains. A localization law specific to surface grains under cyclic loading was identified from finite element simulations. The proposed form needs an intergranular accommodation variable, on the pattern of the localization law of Cailletaud-Pilvin. Stress-strain state in surface grains was simulated. Potential indicators for crack initiation were then compared on a same experimental data base. Indicators based on the equivalent plastic strain were found to be suitable indicators of fatigue damage.