Cette thèse porte sur l'étude de la durée de vie de composants et modules de puissance dans des environnements thermiques sévères, lorsque les modules de puissance sont amenés à travailler à haute température ou sous des cycles de température de forte amplitude. Les domaines visés par cette étude concernent plus particulièrement des applications extrêmement contraignantes telles que les applications aéronautiques. Un module de puissance est un assemblage de plusieurs matériaux (semi-conducteurs, brasures, céramiques, conducteurs) présentant des propriétés mécaniques, notamment de coefficient de dilatation thermiques (CTE) différentes. Les pertes dans les puces actives et les variations de température ambiante (profils de mission) sont responsables de contraintes mécaniques liées aux différences de CTE entre les différents matériaux. Les modes de défaillance étant principalement d'origine mécanique, ces travaux ont été effectués entre le SATIE et le LMT (Institut Farman). L'étude mécanique a complété des travaux expérimentaux de caractérisation et de vieillissement accéléré de modules de puissance à semi-conducteur. Ces études ont nécessité la mise en place d'essais de vieillissement spécifiques, passifs (utilisation d'une étuve permettant de contraindre les assemblages de puissance sous des cycles thermiques de grande amplitude) et actifs (utilisation de régimes extrêmes de fonctionnement tels que le court-circuit pour accélérer le vieillissement de certaines parties de l'assemblage).La première partie de ce manuscrit présente les principes physiques mis en jeu. Nous présenterons succinctement les concepts de mécanique de la rupture ainsi que les couplages physiques.La deuxième partie porte sur la rupture de la céramique des substrats DCB. Cette rupture peut provenir de défauts répartis aléatoirement dans le matériau. Nous aborderons le problème par une approche statistique où nous introduirons la "Théorie du maillon faible". L'autre cause de rupture est la présence de défauts géométriques que l'on appelle singularité où il existe une concentration des contraintes nécessitant une approche déterministe. A cette occasion nous introduirons le facteur d'intensité des contraintes qui permet d'étudier les problèmes de rupture liés à des zones singulières.La dernière partie portera sur la dégradation de la métallisation du transistor. La recherche d'indicateurs de vieillissement a demandé la mise au point de différents bancs de caractérisation électrique pour la mesure fine de différentes grandeurs électriques (courants de fuite, tensions de seuil, chute de tension à l'état passant...) dans un environnement thermique contrôlé. De plus ces caractérisations électriques sont corrélées à des observations de la métallisation effectuées par un microscope électronique à balayage de manière régulière. Nous chercherons à montrer comment la modification de la morphologie de la métallisation peut modifier les caractéristiques électriques des transistors de puissance testés.

Cette thèse s'inscrit dans une démarche d'investigation des mécanismes d'endommagement de réfractaires électrofondus à très haute teneur en zircone. L'accent est en particulier mis sur la compréhension du phénomène de microfissuration, mécanisme de dégradation le plus dommageable pour ces matériaux. S'opérant au refroidissement, il conduit à la fracture des blocs électrofondus. Réalisés dans le cadre du programme NOREV (NOouveau REfractaires Verriers) soutenu par l'ANR, les travaux présentés sont le fruit d'une collaboration avec Saint Gobain CREE, le Centre des Matériaux P.M. FOURT de l'Ecole des Mines de Paris, le laboratoire GEMH de l'ENSCI de Limoges, ICAR et Euro Physical Acoustics. Ils font suite aux travaux réalisés lors du programme PROMETHEREF (2002-2005). Des expériences préliminaires ont permis de définir et d'affiner les orientations de l'étude. Prenant en considération l'anisotropie de dilatation de la zircone monoclinique et quadratique décrite dans la littérature, l'imagerie des électrons rétrodiffusés a notamment permis de révéler un lien entre l'arrangement de domaines cristallographiques et la fissuration observée. D'autres expérimentations conduites dans le domaine de l'émission acoustique ont mis en lumière son applicabilité et ses apports pour notre problématique ainsi que la nécessité de développer un algorithme de traitement adapté. Ainsi, trois axes de recherche ont été développés. Ils visent, par leur complémentarité, à permettre une analyse à plusieurs échelles de l'endommagement des matériaux de l'étude tout en s'appuyant sur leur comparaison. Ils permettent respectivement d'évaluer l'endommagement de manière indirecte, d'en examiner les origines à l'échelle microscopique et d'en déterminer l'occurrence en température à l'échelle globale de l'échantillon. Le premier volet consiste en une évaluation des propriétés mécaniques en températures soulignant les incidences de la fissuration. La mise en évidence de la fissuration sous-critique, l'évolution des propriétés élastiques ainsi que la détermination des propriétés à la rupture apportent autant d'éléments qui permettent ensuite d'enrichir l'étude fractographique. Le deuxième volet s'attache, après une interrogation quant à la présence simultanée de zircone monoclinique et quadratique, à déterminer les paramètres de maille et les coefficients de dilatation de ces deux structures pour les différents matériaux. La modélisation des mailles correspondantes se révèle alors d'un grand intérêt pour l'analyse de cartographies EBSD. Enfin, la validation et l'application d'un process de traitement novateur des données d'émission acoustique, intégrant un algorithme génétique, permet de quantifier l'endommagement et d'apporter des précisions quant à son action en température. Ces constatations sont confortées par des suivis par acousto-ultrasons.

Dans une problématique d'analyse de la durabilité des structures en béton armé, la quantification de la localisation des déformations et des propriétés des fissures sont deux points clés. Ce travail présente une méthode permettant, dans le cadre de la mécanique des milieux continus, d'améliorer la description de l'évolution de la localisation des déformations. En se basant sur une approche continue du problème, l'évolution des nonlinéarités dans le béton est décrite au travers d'un modèle d'endommagement régularisé. Pour améliorer la description de la localisation des déformations, une modification de la méthode de régularisation nonlocale intégrale sur les variables internes est proposée. L'influence de l'état de contrainte sur les interactions nonlocales est introduite dans la régularisation, afin de prendre en compte la dégradation de la structure ainsi que l'influence des conditions aux limites sur les interactions nonlocales. Cette méthode, implantée dans le code aux éléments finis Cast3M, est validée sur différents cas tests analysant l'évolution des nonlinéarités de l'enclenchement de l'endommagement jusqu'à la rupture et permet notamment de résoudre des pathologies identifiées pour la méthode nonlocale originale. La comparaison avec des résultats expérimentaux montre également la capacité du modèle à décrire l'évolution de la fissuration dans une structure. Le modèle développé est ensuite utilisé pour analyser le comportement de structures en béton armé et sert de base pour introduire une description de la fissuration dans une modélisation simplifiée de type poutre multifibre. A partir de calcul 3D sur des éléments en béton armé utilisant le modèle développé, une loi uniaxiale est identifiée pour déterminer la fissuration dans une fibre en fonction de l'énergie dissipée par le modèle d'endommagement. Une comparaison avec des résultats expérimentaux est effectuée et montre la capacité de cette approche simplifiée à estimer la fissuration.

Thèse doct.-ing--Paris VI, 1976. / Bibliogr. p. 69-93. Résumé en diverses langues.

Nous avons travaillé au cours de cette étude sur des plaques stratifiées en verre/époxy fabriquées à partir de préimprégnés pseudo-tissés. Ces composites sont sujets au délaminage et à la fissuration intralaminaire. L'étude se décompose en quatre grandes étapes. Tout d'abord, une campagne d'essais a été menée, au cours de laquelle les caractéristiques des endommagements intralaminaires transverses et leur cinétique d'évolution ont été déterminées. Cet endommagement présente beaucoup de points communs avec celui observé dans les matériaux non tissés. Toutefois, la structure tissée du matériau a des conséquences sur certaines de ces caractéristiques, en particulier sur sa cinétique d'évolution. Une deuxième campagne d'essais a été réalisée afin d'étudier le phénomène d'initiation du délaminage aux voisinages des bords. Dans ce but, une méthode d'observation optique innovante a été établie afin de pouvoir visualiser durant les essais les différents mécanismes de dégradation présents. Nous avons ainsi étudié l'influence de la fissuration intralaminaire et de la structure tissée sur le début du délaminage. En parallèle, ces endommagements ont été modélisés. Ainsi, un modèle de comportement à l'échelle mésoscopique, prenant en compte les dégradations intralaminaires, a été mis en place. Les effets dus à la refermeture incomplète des fissures a également été prise en compte dans le modèle. De plus, un critère d'initiation du délaminage a été établi. Le critère est construit à partir des composantes du vecteur contrainte de l'interface, moyennés sur une distance caractéristique. Enfin, une dernière phase a permis de valider le modèle et le critère sur des structures non trouées et trouées.

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.

Les céramiques sont sensibles à la fissuration lente qui résulte de l'effet conjoint entre un chargement mécanique et l'environnement (taux d'humidité et température). A partir d'études atomistiques disponibles dans la littérature, un modèle cohésif représentant localement la rupture assistée par l'environnement est proposé dans le cadre d'une formulation thermiquement activée. Nous montrons que cette description est capable de rendre compte de la fissuration lente en fatigue statique de monocristaux de céramiques, ainsi que la fissuration lente intergranulaire de polycristaux. Nous soulignons qu'une représentation de la fissuration lente avec la vitesse de propagation V en fonction du taux de restitutions d'énergie G rend compte des caractéristiques intrinsèques de la cinétique de rupture et est préférable à une présentation V-K. Le modèle cohésif permettant d'incorporer une longueur caractéristique dans la description, des effets de taille de grains sont explorés. La prise en compte des contraintes initiales d'origine thermique liées à l'élaboration est nécessaire pour prédire de manière réaliste l'accroissement du seuil de chargement en-dessous duquel aucune propagation n'a lieu ainsi que la résistance à la fissuration lente avec la taille de grains augmentant. La vitesse fissuration lente et le seuil de chargement K0 sont sensibles à l'environnement et notamment à la température et à la concentration d'eau. En augmentant la concentration d'eau et/ou la température, le seuil K0 diminue et la vitesse de fissuration lente augmente. Pour rendre compte de l'influence du taux d'humidité sur la fissuration lente, il est nécessaire de considérer une énergie d'activation ainsi qu'un seuil d'amorçage du mécanisme de réaction-rupture diminuant avec la concentration locale en eau. L'effet de la température est prédit de manière réaliste avec le modèle cohésif proposé et en tenant compte des contraintes initiales thermiques. Nous avons comparé les réponses en fissuration lente de l'alumine et de la zircone et montré qu'intrinsèquement et en l'absence de transformation de phase, la zircone résiste mieux à la fissuration lente que l'alumine. A partir de ces résultats, nous avons abordé l'étude de la fissuration lente de céramiques élaborées par projection plasma. Un endommagement initial de la microstructure à l'échelle des splats est observé sans qu'il n'influence la fissuration lente intra-splats en termes V-G. / Ceramic materials are prone to slow crack growth (SCG)due to the combined effect of the mechanical loading and the environment (moisture and temperature).Based on atomistic studies available in the literature,a thermally activated cohesive model is proposed to represent the reaction-rupture mechanism underlying slow crack growth. The description is shown able to capture SCG under static fatigue on ceramic single crystals as well as intergranular SCG in polycrystals.We emphasize that the representation of SCG with the crack velocity versus the energy release rate G accounts for the intrinsic characteristics of SCG, which is preferable than a usual plot with V-K curves.The cohesive model incorporates a characteristic length scale, so that size effects can be investigated. SCG is grain size dependent with the decrease of the crack velocity at a given load level and improvement of the load threshold with the grain size. To capture this observation, account for the initial thermal stresses related to the processing is mandatory. SCG is also dependent on the concentration of water with an increase of the crack velocity and a decrease of the load threshold with the relative humidity increasing. To predict this effect, the cohesive description needs to account for activation energy and a threshold to trigger the reaction-rupture that depends on the concentration of water. The influence of the temperature on SCG shows an increase in the crack velocity and a decrease of the load threshold for SCG due to the reduction in the initial thermal stresses. The SCG behavior of the alumina and zirconia is compared. Zirconia exhibits a better resistance to SCG compared to that of alumina, in the absence of any phase transformation due to lower kinetics of its reaction-rupture. Based on these results, SCG is investigated in plasma sprayed ceramic. An initial damage at the scale of the splats is observed without effect on load threshold G0 for SCG in V-G plots.

L’objectif de cette thèse est la prise en compte du comportement raidissant en traction sur des poutres en béton armé du à l’adhérence entre les armatures tendues et le béton. Un vaste programme expérimental sur des poutres minces et des poutres épaisses permet de quantifier expérimental le profil de contraintes dans le béton tendu entre deux fissures de flexion. La création d’un nouvel élément fini est ensuite mise en œuvre à partir des observations expérimentales. Les tests conduits sur des tirants ont permis de mettre en évidence à la fois l’existence d’une longueur de transfert et une longueur de totale décohésion qui caractérisent le phénomène d’adhérence entre l’acier le béton entre deux fissures consécutives de flexion. La longueur de transfert correspond à la mise en tension du béton et donc l’établissement de la contribution du béton tendu à la rigidité flexionnelle, ce qui limite la diminution de rigidité de la poutre après fissuration. Les mesures de la flèche en flexion des différentes poutres testées, minces ou épaisses, permettent de caractériser la longueur de transfert et de réaliser l’objectif de la thèse qui est de prendre en compte le béton tendu dans le calcul de la rigidité flexionnelle des poutres en béton armé / The aim of this thesis is to study the stiffening effect of tensile concrete in flexural reinforced concrete beams by controlling the bond between steel and concrete. The process consists of experimentally determining the strain profile in both deep and thin flexural beams. We created a new finite element model for both deep and thin beams in accordance with experimental observations. The experimental tests we conducted on tension members highlight the existence of both transfer length and length with total bond loss characterizing the bond between tensile steel and concrete. The transfer length contributes to the production of a tension stiffening effect, thus limiting the stiffness decrease of the flexural beam. Measuring the beam deflection makes it possible to determine the transfer length, and consequently to achieve the main objective, namely the contribution of tensile concrete to beam stiffness

Cette étude s'intéresse à la fissuration des structures multi-perforées, soumises à des sollicitations pouvant aller de la plasticité confinée à la plasticité généralisée. Le cas d'étude considéré est celui des chambres de combustion des turbomachines aéronautiques. Le matériau utilisé est le Haynes 188, un superalliage à base de Cobalt, spécialement conçu pour ce type d'applications. La fissuration des structures multi-percées a été souvent étudiée dans des conditions de plasticité confinée. Ces études doivent être étendues au domaine de la plasticité généralisée.Afin d'étudier les interactions entre fissures et perçages, une éprouvette originale a été conçue. Dans le but de reproduire un motif de base simplifié correspondant aux trous de refroidissement des chambres de combustion, l'éprouvette est percée en son centre par trois trous. Des essais de fissuration isotherme à 900°C sous des chargements de fatigue ont été réalisés avec des niveaux de chargement allant de la plasticité confinée à la plasticité généralisée. Ces essais ont permis d'étudier la durée de vie du motif de base. A partir des résultats expérimentaux de contrainte et de déformation, les essais ont été modélisés à une échelle dite macroscopique avec un modèle de fissuration en énergie. Dans le but d'améliorer la description des essais, la modélisation a été ensuite réalisée à une échelle intermédiaire, dite mésoscopique, à partir de calculs par éléments finis. / The purpose of this study is to investigate crack growth of multi-perforated structures when loading can vary from small scale yielding to large scale yielding conditions. In this study we focus on combustion chambers of aerospace engines. The material used in crack growth tests is the Haynes 188, a cobalt based superalloy, specially developed for this type of applications. Studies on crack growth of multi-perforated structures are often made in small scale yielding conditions. These studies have to be extended to large scale yielding conditions.In order to study interactions between cracks and perforations, an original specimen has been developed. The specimen is perforated in the center by three holes inspired by cooling holes of combustion chambers. Fatigue crack growth tests at 900°C have been conducted with loads from small scale to large scale yielding conditions. These tests were used to study life of a base pattern. Using experimental stresses and strains, tests were modeled at a macroscopic scale with an energy based crack growth model. In order to improve experimental results description, tests were modeled at an intermediate mesoscopic scale using finite element calculations.

La fissuration en relaxation (FER) peut apparaître dans les zones affectées par la chaleur de larges pièces soudées pendant leur utilisation entre 500 et 700°C. Il est admis que ce phénomène est induit par la relaxation à haute température de champs de contraintes résiduelles initialement introduits lors du soudage. L'objectif de ce travail est d'identifier, dans les aciers de type AISI 316L, les caractéristiques de ce type de matériaux, ainsi que les forces motrices, responsables du développement de la fissuration en relaxation.La méthodologie proposée consiste à reproduire les conditions de la FER dans cinq aciers de type AISI 316L de compositions chimiques différentes en utilisant des éprouvettes de type « Compact Tension » (CT) pré-comprimées. L'étude des éprouvettes à l'aide du MEB, de l'EBSD, du MET et de la tomographie X a révélé que de l'endommagement intergranulaire s'était développé dans quelques une d'entre elles. Le niveau d'endommagement mesuré dans chaque éprouvette dépend de la nuance de l'acier, de la température et de la durée d'exposition thermique, et du rayon d'entaille.Ce travail implique également la prédiction numérique des champs de déformations et de contraintes résiduelles dans les éprouvettes à l'aide d'une nouvelle loi de comportement viscoplastique à variables internes. La comparaison entre les champs de contraintes résiduelles prédits dans les éprouvettes de type CT et les distributions d'endommagement mesuré par tomographie a permis de déduire le niveau de contrainte résiduelle critique nécessaire pour l'initiation de la FER. Finalement, les distributions d'endommagement mesurées expérimentalement ont pu être correctement prédites numériquement avec une loi phénoménologique d'endommagement scalaire alimentée par les prédictions du modèle de comportement viscoplastique. / Stress relaxation cracking can potentially be found in the heat affected zone of large welded parts after service in the 500-700°C temperature range. This phenomenon, known as reheat cracking (RC), is driven by the high temperature relaxation of residual stress fields initially introduced during welding. The main objective of this doctoral thesis is to identify the material and microstructural characteristics as well as the driving forces responsible for RC damage development in AISI 316L-type austenitic stainless steels.The proposed methodology relies on the reproduction of RC conditions in five chemically different AISI 316L-type steels using pre-compressed CT-like specimens. Subsequent investigation using SEM, EBSD, TEM and X-ray tomography revealed that intergranular damage had developed in some of the specimens. The extent of damage was found to depend on the steel grade, the temperature and duration of the thermal exposure, and the notch radius.The numerical investigation of the local residual stress and strain fields in the specimens was carried out using a novel internal state variable-based viscoplastic constitutive model. A comparison between the predicted residual stress fields in the CT-like specimens and the intergranular damage distributions measured by X-ray tomography enabled the threshold level of local residual stresses associated with the initiation of stress relaxation microcracks to be inferred. Finally, the distribution of the measured local RC damage was modelled numerically by explicitly linking a suitable phenomenological scalar damage law with the above constitutive model. The corresponding results were found to be consistent with the observed damage distributions.