Nous avons étudié la fissuration par chute de ductilité (ou DDC) pouvant intervenir durant le soudage d'alliages à base de nickel, pour en identifier le mécanisme métallurgique. Deux métaux d'apport pour le soudage de l'alliage lnconel 690™ ont été spécifiquement examinés, à savoir les alliages industriels lnconel 52M™ et lnconeI 152™, utilisés pour la fabrication de certains éléments des composants du circuit primaire de centrales nucléaires de type « REP ».Nous avons dans un premier temps cherché à identifier l'influence de la composition des alliages, en particulier l'influence des teneurs en soufre et carbone, sur la fissuration par chute de ductilité. L'étude de l'état de l'art, ainsi que la réalisation d'essais préliminaires, nous ont conduits à développer un nouvel essai de fissuration au soudage, que nous avons mis en œuvre sur quatre alliages modèles et deux alliages industriels. Les résultats montrent qu'une augmentation de la teneur en soufre accroit la sensibilité à la fissuration, tandis que la présence de carbone la réduit. Nous avons également confirmé l'effet protecteur du niobium.Nous avons ensuite réalisé des observations métallurgiques fines de fissures obtenues (métallographie, microscopies électroniques (« MEB » et « MET »), spectroscopies des rayons X (« WDS ») et des électrons Auger) pour proposer différentes hypothèses permettant d'expliquer les modes d'action de ces éléments sur le mécanisme de fissuration (ségrégation hors d'équilibre, ségrégation « dynamique » induite par les contraintes, les déformations ou la ségrégation sur les surfaces libres, proches du fond de fissure, compétition entre les ségrégations du soufre et du carbone). / We have studied the ductility drop cracking (or DDC) that can occur during the welding of nickel-based alloys to identify the metallurgical mechanism. Two filler metals for the welding of the lnconel 690 ™ alloy have been specifically examined, namely the lnconel 52M ™ and lnconeI 152 ™ industrial alloys, used to manufacture some elements of the primary circuit components of "REP" nuclear power plants.We first sought to identify the influence of alloy composition, in particular the influence of sulfur and carbon contents, on ductility drop cracking. The study of the state of the art, as well as the preliminary tests, led us to develop a new welding cracking test, which we implemented on four model alloys and two industrial alloys. The results show that an increase in sulfur content increases the susceptibility to cracking, while the presence of carbon reduces it. We also confirmed the protective effect of niobium.We then made fine metallurgical observations of fissures obtained (metallography, electron microscopies ("SEM" and "MET"), X-ray spectroscopies ("WDS") and Auger electrons) to propose different hypotheses allowing to explain the modes action of these elements on the mechanism of cracking (non-equilibrium segregation, "dynamic" segregation induced by stresses, deformations or segregation on free surfaces, close to the crack tip, competition between segregations of sulfur and carbon).

Cette thèse s'est déroulée dans le cadre d'une réflexion sur la fragilisation par les métaux liquides, un des phénomènes pouvant limiter la durée de vie de la cible de spallation dans les réacteurs hybrides qui représentent une des solutions possibles pour le traitement des déchets nucléaires et qui sont étudiés dans le cadre du groupement de recherche GEDEPEON (GEstion des Déchets Et Production d'Energie par des Options Nouvelles).<br />L'objectif de cette étude a été d'identifier le mécanisme contrôlant l'endommagement intergranulaire du cuivre placé en contact avec le bismuth liquide. Des analyses fractographiques par microscopie électronique à balayage, spectroscopie d'électrons Auger, spectroscopie de photoélectrons et rétrodiffusion Rutherford ont ainsi été effectuées sur des polycristaux et un bicristal de cuivre (joint de flexion symétrique de désorientation 50° autour de <100>) afin de caractériser les deux paramètres suivants :<br />(i) la cinétique de pénétration intergranulaire et<br />(ii) la concentration intergranulaire en bismuth obtenue après pénétration.<br />Les résultats présentés (cinétique parabolique et concentration intergranulaire en bismuth inférieure à deux monocouches équivalentes) nous permettent de conclure que c'est la diffusion intergranulaire des atomes de bismuth qui contrôle la pénétration intergranulaire du cuivre par le bismuth liquide entre 300 et 600°C. De plus, nous pouvons ainsi conclure à l'absence de mouillage intergranulaire parfait dans ce système et aux températures considérées.

La fissuration en relaxation se développe au voisinage de certaines soudures en acier inoxydable austénitique lorsque celles-ci sont réchauffées à des températures supérieures à 450 °C. Cet endommagement intergranulaire intervient lorsque les zones affectées ne possèdent pas une ductilité suffisante pour relaxer les contraintes résiduelles liées au soudage. L'analyse de zones affectées en acier 316 (17Cr-12Ni-2.5Mo) a montré que celles-ci étaient fortement écrouies lors du soudage et que les fissures intergranulaires résultaient de la coalescence de micro-cavités similaires à celles observées en fluage. Une microstructure équivalente à celle des zones affectées a été reproduite par laminage pour trois aciers de type 316 possédant des teneurs en carbone et en azote différentes (316L, 316L(N), 316H). Des essais de traction, de fluage et de relaxation ont été réalisés à 550°C et à 600°C sur des éprouvettes lisses, entaillées et pré-fissurées prélevées dans ces coupons laminés ainsi que dans des coupons vierges. L'écrouissage entraîne un fort durcissement lié à l'effet direct de l'augmentation de la densité de dislocations et une chute de la ductilité qui n'est pas due à un changement de mécanisme de rupture mais à une augmentation de la cinétique d'endommagement intergranulaire. Cette fragilisation par écrouissage est telle que l'on est parvenu à reproduire la propagation de fissure en relaxation sur matériau écroui alors qu'elle reste très limitée sur matériau vierge. L'importance de l'écrouissage sur la fissuration en relaxation, déjà évoquée par Chabaud-Reytier (1999) à propos d'un acier inoxydable stabilisé au titane de type 321 (18Cr-10Ni-0.5Ti), concerne donc également les aciers non stabilisés de type 316 quelle que soit leur teneur en éléments interstitiels. A partir de mesures de la densité locale de micro-fissures et de calculs des champs mécaniques par éléments finis, un nouveau modèle d'endommagement intergranulaire a été identifié sur des éprouvettes entaillées en acier 316L(N) testées en fluage à 600°C. Ce modèle permet de rendre compte de l'effet fragilisant de l'écrouissage, en fluage comme en relaxation, et met en évidence l'importance du taux de triaxialité des contraintes sur la cinétique de l'endommagement intergranulaire. Le risque de fissuration en relaxation au voisinage d'une soudure peut alors être estimé à partir des champs de contraintes et de déformations résiduelles.

Les alliages d'aluminium de la famille 5XXX (Al-Mg) sont utilisés dans la fabrication de pièces de structure en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, de soudabilité et de résistance à la corrosion. Toutefois, dans des conditions d'utilisation sévères, une synergie entre la déformation plastique et les réactions de corrosion se produit et entraîne une fissuration intergranulaire, par corrosion sous contrainte (CSC), voire par fragilisation par l'hydrogène (FPH). La ductilité passe de 50% à quelques %, montrant une fissuration fragile. La compréhension des mécanismes qui régissent ce type de fissuration nécessite la détermination de l'importance respective des principaux facteurs (notamment mécaniques et chimiques). Cette étude se concentre sur le rôle de la plasticité cristalline dans le cas de la fragilisation par l'hydrogène. Pour ce faire, des éprouvettes préalablement fragilisées en surface par l'hydrogène (via un chargement cathodique) ont été sollicitées en traction. Ces essais ont été menés in situ dans le microscope électronique à balayage. Les résultats de corrélation d'image ont montré que les fissures s'amorcent dans des régions faiblement déformées adjacentes à des régions fortement déformées, là où les contraintes intergranulaires les plus élevées sont attendues. Par ailleurs, la cartographie des orientations cristallines des surfaces observées au cours des essais a servi de base à un maillage réaliste de la structure, qui a permis de calculer les champs de contraintes et de déformation locaux à l'aide d'un modèle de plasticité cristalline. Le modèle a été validé par la confrontation des prédictions à la mesure des champs de déformation et aux courbes de chargement macroscopique. Les contraintes ainsi estimées par simulation numérique ont permit d'établir un critère de rupture. Ce critère de rupture a ensuite été incorporé dans la simulation de microstructure quasi-2D grâce à un modèle de zone cohésive. Les résultats obtenus en accord avec les observations ont mis en avant la nécessité de développer une méthodologie permettant de prendre en compte les effets de la microstructure situés sous les surfaces étudiées. Ces microstructures ont été caractérisées à l'aide de plusieurs techniques d'analyse 3D de la morphologie microstructurale des agrégats polycristallins (EBSD par couches successives et par microtomographie rayons X des joints de grains à l'aide de diffusion de gallium). Les résultats des simulations avec les microstructures réelles en 3D dans le domaine élastique sont cohérant avec ceux obtenus en 2D pour des agrégats composés de 40 grains.

Comme la plupart des problèmes réels posés à la science des matériaux, celui de la corrosion intergranulaire de l'aluminium par l'eau chaude est complexe, à cause de la multiplicité des facteurs qui entrent en jeu. Pour n'en laisser au hasard qu'une part aussi limitée que possible, nous avons utilisé des bicristaux orientés. Leur préparation, par solidification contrôlée en nacelle horizontale, constitue en effet depuis une quinzaine d'années une activité traditionnelle de notre laboratoire. La contribution que nous y avons apportée a été la mise au point d'un modèle de four au fonctionnement simple et sûr, et l'amélioration des techniques d'orientation, tant en rapidité qu'en précision, grâce à l'utilisation de tables numériques établies à l'aide d'un ordinateur. Dans ces cristaux orientés, préparés à partir d'un métal de pureté constante, nous avons prélevé des échantillons qui ont été exposés à de l'eau à 150°C. La nécessité de respecter certaines précautions expérimentales nous est rapidement apparue : il faut utiliser des échantillons présentant le moins possible de ségrégations, et ne considérer que les attaques ayant lieu à partir d'une même face de l'échantillon, de préférence celle qui est constamment restée libre au cours de la préparation par solidification contrôlée. Ces conditions nous ont permis de bien choisir les facteurs qui ont été pris en considération dans ce travail. L'étude de la corrosion d'un joint de grains donné nous a montré que celle-ci progresse en deux étapes successives, dont la seconde est liée à l'apparition de poches d'hydrogène dans le sillon d'alumine. La vitesse de corrosion demeure constante au cours de chacune des étapes. Cela laisse penser que les conditions physico-chimiques ne s'y modifient pas, et tempère notre regret de n'avoir pas contrôlé les conditions électrochimiques du phénomène. En étudiant la corrosion d'un joint symétrique de flexion entre deux cristaux désorientés de 50° autour d'un axe <001>, joint assez quelconque, puisqu'il n'est ni de faible désorientation ni de haute coïncidence, nous avons décelé une forme originale de l'anisotropie d'un joint de ce type. La corrosion en effet ne progresse pas à la même vitesse dans les deux sens de la direction normale à l'axe de flexion. Nous pensons que cette anisotropie ne résulte pas de la structure intrinsèque du joint, mais de sa position par rapport aux deux réseaux qu'il sépare, et dont les directions <011> constituent des canaux privilégiés pour la diffusion d'hydrogène. En attribuant un rôle essentiel à cette étape de la réaction cathodique, notre hypothèse s'accorde avec les conclusions généralement admises. Deux séries de bicristaux, contenant respectivement des joints symétriques de flexion autour de <001> et <011>, nous ont permis d'examiner dans ces deux cas l'influence de l'un des cinq paramètres qui définissent macroscopiquement la géométrie d'un joint de grains. Cette étude a montré en particulier que, parmi les joints de macle, il en est qui présentent à la corrosion intergranulaire une résistance remarquable : Ce sont les joints (111) et (311), c'est-à-dire ceux dont les énergies calculées sont les plus faibles. L'ensemble des résultats obtenus a fait apparaître la nécessité de considérer cette fois la structure même des joints pour interpréter leur comportement. Nous avons proposé une méthode géométrique pour construire le réseau de transition des joints symétriques de flexion autour de <011> et <100>. Les structures obtenues sont, à une relaxation près, celles auxquelles conduit un calcul énergétique. La méthode permet de mesurer le défaut de densité du joint, défini comme le nombre d'atomes qu'il faut supprimer pour introduire dans un échantillon initialement monocristallin, sans faire varier son volume, une unité d'aire de ce joint. Nous avons montré que le défaut de densité de la structure intergranulaire, par rapport à l'édifice cristallin parfait, est une des causes essentielles de l'accumulation d'hydrogène dans le joint et du dommage qui en résulte. Abordant enfin un point de vue thermodynamique, nous avons montré que l'énergie interne d'un joint provient également du défaut de densité de sa structure, et que son entropie résulte de la perte de leur voisinage normal subie par certains atomes. Toutes ces considérations soulignent l'importance de la part qui revient à la structure intergranulaire dans les propriétés physico-chimiques et les caractéristiques thermodynamiques d'un joint de grains. Il n'en faudrait pas conclure à l'insignifiance du rôle joué par les impuretés présentes dans le métal que nous avons utilisé. Au contraire, pour réduire la part laissée au hasard, les expérimentateurs auront grand avantage à employer des métaux de plus en plus purs, élaborés en quantités importantes et homogènes, et qui seuls permettront d'examiner l'influence spécifique de diverses impuretés. Parallèlement, les résultats, modestes mais encourageants, que les bicristaux nous ont permis d'obtenir dans l'étude d'un exemple de corrosion intergranulaire, devraient convaincre les spécialistes de la corrosion de l'utilité que peuvent présenter pour leurs travaux les mono et bicristaux orientés. Les efforts entrepris aujourd'hui dans les deux directions de l'élaboration de métaux purs, et de la préparation de cristaux orientés, nous semblent donc particulièrement bien fondés.

La prédiction des durées de vie des pièces de structures aéronautiques a toujours été une problématique à la fois complexe et capitale dans ce domaine de l’industrie. Néanmoins, la majorité des tests existant à l’heure actuelle cherche à évaluer la capacité des matériaux à résister aux sollicitations mécaniques notamment en fatigue. Les problématiques liées à l’endommagement causé par l’environnement comme la corrosion sont encore mal comprises. En effet, bien que certains tests permettent de détecter et de caractériser cet endommagement, aucun outil fiable de prédiction des vitesses de propagation des défauts de corrosion intergranulaire n’existe. Ainsi, actuellement, un défaut de corrosion détecté induit systématiquement un changement de la pièce. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans cette problématique ; ils ont pour but de comprendre les phénomènes de corrosion intergranulaire sur l’alliage d’aluminium 2024, le plus utilisé dans le secteur aéronautique, et d’étudier les cinétiques de propagation des défauts de corrosion. L’étude s’appuie sur une approche multi-échelle des processus de corrosion, des états microstructuraux et de l’influence de l’hydrogène. Ce projet s’inscrit également dans une dynamique de collaboration avec Airbus Group et l’Université de Bourgogne dans le cadre du projet ANR M-SCOT (Multi-Scale Corrosion Testing ANR-14-CE07-0027-01). / Nowadays, cracks kinetics is a key point in aircraft risk and reliability analysis. In particular, the propagation of corrosion defects is of special interest and could promote an early mechanical crack initiation. However, today most of the tests are calibrated to control mechanical damage and do not take into account the propagation of the corrosion defects. Indeed, when a corrosion defect is observed, the airplane part is automatically changed which leads to high manufacturing costs. The aim of this work is to understand the intergranular corrosion mechanisms and to study the propagation kinetics of the corrosion defects in an aeronautical reference alloy, i.e. the 2024-T351 aluminium alloy. A multiscale approach of the corrosion processes, the microstructural states as well as hydrogen influence was performed. This work is supported by ANR-14-CE07-0027-01 – M-SCOT: Multi Scale COrrosion Testing.

La gestion des flottes vieillissantes conduit à étudier les effets de la corrosion sur la tenue mécanique des structures en alliages d'aluminium, depuis les défauts de corrosion de surface jusqu'à la fissure mécaniquement active.<br />Nous avons caractérisé la sensibilité de l'alliage 2024-T351 à la corrosion intergranulaire. Il se forme en 7h d'immersion dans NaCl 0.5 M un défaut semi-elliptique de 200 µm de profondeur. Puis la corrosion intergranulaire ralentit fortement. <br />Nous avons étudié les mécanismes de propagation en fatigue à partir de ces défauts, en particulier la transition entre la corrosion intergranulaire et les fissures transgranulaires courtes de fatigue. A chaque étape de l'endommagement, une estimation des cinétiques, du Delta-K et la morphologie des défauts sont données. Deux mécanismes ont été distingués : un mécanisme de corrosion sous contrainte (cyclique) intergranulaire et un mécanisme de fatigue corrosion transgranulaire. Un critère de transition est proposé

Nous avons développé une méthode originale de mesure par microscopie à force atomique (AFM) du glissement intergranulaire, sur des alliages sollicités à haute température et à de faibles vitesses de déformation, pour des essais de courte durée. Nous avons pu mesurer le glissement intergranulaire, selon sa composante hors-plan de la surface de l'éprouvette. La limite de détection du glissement intergranulaire est alors de 10 nm. Des essais de traction lente ou à charge imposée, à haute température (360°C à 700°C) et sous ultravide, ont été réalisés sur des éprouvettes plates et minces d'aciers inoxydables austénitiques et de superalliages base nickel. A l'issue de ces essais, la caractérisation du glissement intergranulaire par AFM montre que le glissement intergranulaire peut être activé dès la mise en charge, sur des amplitudes de plusieurs dizaines de nm. De plus, sur des essais courts, l'amplitude du glissement intergranulaire ne dépend pas de l'orientation de la trace du joint par rapport à la direction de sollicitation. En revanche, la désorientation est un paramètre déterminant sur la propension des joints à glisser. Nous avons également analysé par spectrométrie Auger la ségrégation intergranulaire sur deux alliages (un acier inoxydable austénitique 304H et un alliage base nickel X-750), préalablement sollicités en traction lente à haute température. Pour le 304 H, les ségrégations de S et P sont favorisées au voisinage des points triples. Pour l'alliage X-750, P ségrège en fond de cupules des facettes de grains microductiles, alors que S ségrège dans les zones riches en précipités. Les méthodes développées permettent d'étudier la corrélation entre deux ingrédients majeurs de l'endommagement à haute température : le glissement intergranulaire et la ségrégation fragilisante aux joints de grains. En particulier, une étude de la cinétique du glissement intergranulaire devrait permettre de valider comme indicateur de la sensibilité à l'endommagement à haute température en service, la mesure de marches de glissement intergranulaire suite à des essais courts. Cette méthode permet également d'envisager l'étude du rôle du glissement intergranulaire dans l'amorçage et la propagation des fissures de corrosion sous contrainte en milieu REP.

L’objectif de cette étude est de quantifier la contribution intra et intergranulaire lors d’une sollicitation à haute température d’un alliage de magnésium (AZ31). Afin de répondre à cette problématique scientifique, un essai de traction in situ à haute température dans un MEB a été mis en place. Un important travail de développement a été réalisé autour de cet essai afin de lever un nombre de verrous technique conséquent. Ces verrous expliquent en partie pourquoi il existe aujourd’hui peu d’étude in situ à haute température sur des alliages de magnésium. Un marqueur local ayant la forme d’une microgrille a été déposé sur notre échantillon étant donné que celui-ci n’offre aucun contraste local pour la corrélation d’image numérique (CIN). Afin le dépôt du marqueur local, une cartographie EBSD a été réalisée. À l’aide des joints de grains issus de la carte EBSD, on peut venir superposer les joints de grains aux champs de déformation issue de la CIN.À l’aide des essais de traction in situ à haute température, on a pu mettre en avant l’effet de la température sur les différents mécanismes de déformation actif. Tout ce travail de développement nous permet ainsi de pouvoir localiser les hétérogénéités de déformation plastique à la fois en fonction de l’évolution de la déformation et pour plusieurs températures. D’après les essais menés, on a pu mettre en évidence le fait que plus la température est élevée, que plus les hétérogénéités de déformation plastique se localisent au voisinage des joints de grains. Basé sur une hypothèse cœur/manteau, on a pu venir quantifier la contribution intergranulaire, et mettre en avant que celle-ci devenait plus importante avec la température. / The aim of this study is to quantify the intra and intergranular contribution of the deformation during a high temperature micromechanical test on a magnesium alloy (AZ31). In order to answer this scientific issue, we have developed an in situ tensile test at high temperature within a SEM. It has required a significant preparation work in order to push the current technical limits of this type of test on magnesium alloy. These technical limits can partly explain why there are currently few in situ studies at high temperature on magnesium alloys. A local marker in the form of a microgrid was placed on our sample as it does not provide any local contrast for digital image correlation (DIC). Before the deposition of the microgrid, EBSD mapping was made. Using the grain boundaries from the EBSD, we can superimpose the deformed grain boundaries on the strain map from the DIC.Using high temperature in-situ tensile tests, we were able to highlight the effect of the temperature on the different active deformation mechanisms. This whole development work enables us to locate the plastic deformation heterogeneities both according to the evolution of the deformation and for several temperatures. From the tests conducted, it has been shown that the higher the temperature, the more heterogeneous the plastic deformation heterogeneities are located in the vicinity of the grain boundaries. Based on a heart/coat hypothesis, we were able to quantify the intra and intergranular contribution, and show that it became more important with temperature.

Les aciers inoxydables martensitiques présentent une bonne résistance à la corrosion et de hautes caractéristiques mécaniques. L'acier 17 4 PH entre dans cette catégorie d'aciers. Dans l'industrie nucléaire, sa température d'utilisation se situe autour de 300°C et les durées de services sont de l'ordre de 10^5 heures. La précipitation de la phase alpha', riche en chrome, induit un durcissement important et une élévation de la température de transition ductile – fragile (TTDF). En outre, le traitement de revenu de l'acier et les conditions de service peuvent induire la ségrégation intergranulaire du phosphore qui contribue également à augmenter la TTDF.<br />Cette étude a permis d'établir une corrélation entre la ségrégation intergranulaire du phosphore mesurée par spectrométrie d'électrons Auger et l'attaque métallographique de l'acier dans un réactif à base d'acide picrique. La ségrégation concerne les anciens joints de grains austénitiques, mais aussi les interfaces séparant les paquets de lattes de martensite.<br />La reproduction des conditions de service (maintiens à 320°C éventuellement sous contrainte jusqu'à 15700 heures) a permis de mettre en évidence les conditions d'apparition de la fragilité intergranulaire et de quantifier son influence sur la TTDF. Il en ressort un effet de synergie entre la dureté de l'acier et le taux de ségrégation intergranulaire du phosphore : la fragilité intergranulaire n'apparaît que si le revenu de l'acier s'accompagne d'une ségrégation notable du phosphore (cas d'un revenu à 600°C) et que le durcissement associé au maintien à 320°C est suffisant. L'application d'une contrainte de traction en cours de maintien à 320°C aggrave la fragilité intergranulaire.<br />Les résultats sont synthétisés sous la forme d'une relation empirique permettant de prévoir la TTDF en fonction de la dureté et du taux de ségrégation intergranulaire.