La corrosion sous contrainte (CSC) des alliages à base nickel est un des principaux phénomènes de dégradation des composants du circuit primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). La compréhension de ce mécanisme de fissuration est un élément essentiel pour la prolongation de la durée d’exploitation des réacteurs.Des études antérieures ont permis d’établir un modèle de propagation de la CSC basé sur une oxydation sélective et dissymétrique du joint de grains en pointe de fissure qui s’accompagne d’une zone appauvrie en chrome. La cinétique de diffusion du chrome étant plus lente que celle de l’oxygène, il est supposé que la diffusion du chrome est une étape limitante de la propagation de la fissure. Si ces observations ont été validées dans la littérature, les hypothèses proposées sur l’origine de l’appauvrissement en chrome dans le grain sont encore sujettes à discussion. Comme la diffusion du chrome en volume dans les alliages base nickel à 350°C ne permet pas d’expliquer les ordres de grandeur des appauvrissements en chrome mesurés dans la littérature, il est supposé qu’il existerait un élément accélérateur de la diffusion du chrome dans l’alliage en pointe de fissure. Ainsi, deux hypothèses sont proposées dans ces travaux : la diffusion du chrome accélérée sous l’effet de la plasticité et la migration des joints de grains induite par la diffusion.L’objectif principal de la thèse a été de confronter les deux hypothèses énoncées au moyen d’essais expérimentaux et de modélisation afin de déterminer le mécanisme de formation de la zone appauvrie en chrome et d’identifier les paramètres favorisant cet appauvrissement.A cet effet, des essais de diffusion sous charge ont été réalisés dans le but d’étudier l’effet de la déformation plastique sur la diffusion du chrome. Les résultats ont permis d’établir une relation entre le coefficient de diffusion et la vitesse de déformation. Ainsi, une accélération de la diffusion en volume de l’ordre de 106 est observée à 350°C sous l’effet de plasticité. De même, des traitements thermiques visant à mettre en évidence la migration des joints de grains induite par la diffusion (DIGM) sont présentés dans ces travaux. Les caractérisations chimiques et microstructurales montrent que la DIGM est bien associée à la formation d’une zone appauvrie en chrome observée dans le sillage du joint de grains migrant. Pour finir, une discussion est proposée afin de relier ces hypothèses au modèle de propagation de la CSC. / Stress Corrosion Cracking (SCC) of nickel base alloys is one of the major degradation phenomena in the primary circuit of Pressurized Water Reactors (PWR). Understanding the SCC mechanism is a key issue for the extension of reactor lifetime.A SCC model based on a selective and asymmetrical oxidation of the grain boundary ahead of the crack tip has been proposed in previous studies. Adjacent to this oxide, a chromium-depleted area is observed exclusively in one of the two grains adjacent to the grain boundary. As oxygen transport is found to be faster than chromium diffusion in the alloy, the latter is assumed to be the rate-limiting step of crack propagation. Nevertheless, the mechanism responsible for chromium depletion is still under debate. Indeed, the lattice and the grain boundary diffusion coefficients of chromium in nickel-based alloys at 350°C are not high enough to explain the chromium depletion magnitudes measured in the literature. Accordingly, factors accelerating chromium diffusion in the alloy ahead of the SCC crack tip should exist. Thus, two assumptions have been proposed in this work: plasticity-enhanced chromium diffusion and diffusion-induced grain boundary migration (DIGM).The aim of this study is to confront these two assumptions by combining both experiments and modeling in order to explain chromium depleted areas observed at the SCC crack tip.Thus, diffusion tests under loading were performed in order to study the effect of plastic deformation on chromium diffusion. Plasticity-enhanced diffusion is evidenced. A relationship between the diffusion coefficient and strain rate has been established leading to a 106-fold increase of the diffusion coefficient at 350°C. In addition, thermal treatments and oxidation tests have shown that diffusion-induced grain boundary migration occurs in Ni-Cr alloys. DIGM leads to dissymmetric Cr-depleted areas, observed in the wake of the moving grain boundary.

Au cours de cette thèse, nous avons étudié in situ la solidification du silicium à l’aide de l'imagerie X-synchrotron. Les deux techniques utilisées lors de la solidification sont la radiographie et la diffraction de Bragg, elles permettent de caractériser: la dynamique des mécanismes de croissance, la cinétique de croissance, la nucléation et la compétition de grains, la déformation du réseau cristallin et les champs de contraintes liés aux dislocations. Ces observations sont combinées avec des caractérisations ex situ pour étudier l'orientation cristallographique, les déformations du réseau cristallin ainsi que les concentrations d'impuretés légères telles que le carbone et l'oxygène.La complémentarité de ces techniques permet d'étudier et de mieux comprendre : les phénomènes physiques liés à la formation de la structure de grain finale. Les résultats concernant la cinétique de croissance de l'interface solide-liquide et des facettes {111}, l'établissement de la structure de grain, l'importance du maclage, l'effet des impuretés légères, le champ de contrainte lié à la croissance et la compétition de grains et les dislocations sont discutés dans le manuscrit. / During this thesis, we studied in situ the solidification of silicon with X-synchrotron imaging. The two techniques used during solidification are radiography and Bragg diffraction and they allow characterizing: dynamic growth mechanisms, growth kinetics, grain nucleation and competition, lattice deformation and dislocation related strain fields. These observations are combined with ex situ characterizations to study the crystallographic orientation, the deformations of the crystal lattice as well as the concentrations of light impurities such as carbon and oxygen. The complementarity of these techniques makes it possible to study and to better understand: the physical phenomena related to the formation of the final grain structure. Results concerning the growth kinetics of the solid-liquid interface and of the {111} facets, the establishment of the grain structure, the importance of twinning, the effect of light impurities, the strain field related to growth and grain competition and dislocations are discussed in the manuscript.

Dans de nombreuses applications industrielles les matériaux polycristallins sont soumis à de hautes températures, auxquelles le mécanisme de glissement aux joints de grains (GBS pour grain boundary sliding) tient un rôle essentiel. Il est fortement couplé à la plasticité intra cristalline, cependant peu de modèles tiennent compte de ce couplage. Le GBS est encore un mécanisme mal compris pour lequel nous manquons de quantifications expérimentales. Nous avons développé à cette fin un dispositif pour réaliser des expériences de compression in-situ dans un microscope électronique à balayage, équipé d’une mesure de température sans contact. Les essais ont été menés sur un aluminium à gros grains contenant 0.1% de manganèse entre 25°C et 400°C, à faible vitesse de déformation. Les champs cinématiques mesurés par corrélation d’images numérique ont permis d’analyser la mise en place des mécanismes de plasticité durant la déformation et leur évolution en fonction de la température. Nous avons mis en évidence un fort couplage entre les mécanismes plastiques intragranulaires et le GBS. A mesure que la température augmente nous avons constaté une forte évolution de la plasticité. La déformation se localise de plus en plus aux joints de grains, tandis que la plasticité dans les grains se complexifie impliquant de plus en plus de systèmes de glissement. Une méthode de corrélation d’images a été utilisée pour mesurer les discontinuités du champ cinématique aux joints de grains et quantifier la contribution du GBS à la déformation globale à 200°C. Celui-ci s’active dès le début et tout au long de la déformation. Nous avons constaté que malgré une taille de grains importante la contribution du GBS n’est pas négligeable, elle est plus importante en début de déformation puis semble atteindre un palier. Une approche locale a été développée pour quantifier l’amplitude locale du GBS. Cela a permis d’étudier et de discuter l’influence sur celui-ci de paramètres comme l’angle de désoriention du joint, un coefficient caractérisant le transfert du glissement intragranulaire à travers le joint, et l’orientation du joint par rapport à la direction de chargement. Ce dernier paramètre semble le plus influent, mais il ne suffit pas pour caractériser l’amplitude du glissement. Il apparaît que les propriétés locales de la microstructure influencent fortement celui-ci et ne peuvent être négligés. / In many industrial applications, polycrystalline materials are subjected to high temperatures at which grain boundary sliding (GBS) plays an essential part. It is however strongly coupled with intracrystalline plasticity, but very few models account for this coupling. GBS is not well understood and poorly quantified experimentally. To do so we have developed a set-up to perform in-situ compression experiments inside a scanning electron microscope, with a contactless temperature measurement. The tests have been done with large grained aluminium samples (0.1 % wt Mn) at several temperatures between 25°C and 400°C and a low strain rate. The kinematic fields measured by digital image correlation (DIC) have allowed the analysis of the start and development of plasticity mechanisms during deformation and their evolution with temperature. We have shown a strong coupling between intragranular plasticity and GBS. At higher temperature, the deformation is more concentrated at the grain boundaries while intragranular slip gets more complex, involving more glide systems. A DIC method has been used to measure the discontinuities at the grain boundaries and thus quantify the part of GBS with respect to the total plastic deformation at 200°C. Despite a large grain size, GBS contributes significantly to the deformation. GBS appears from the start of the deformation process, then reaches a limit. A local approach has been developed to quantify the local amplitude of GBS. This has allowed to weigh the influence of some geometrical parameters, such as grain misorientation, a coefficient which measures the transfer of intragranular sliding across the grain boundary and the orientation of the grain boundary with respect to the direction of solicitation. This last parameter seems to be the most relevant, but does not suffice to characterize the amplitude of the slip. The local properties of the microstructure cannot be neglected.

Durant cette thèse, on s’intéresse à l’application et au développement d’une théorie de mécanique des champs de dislocations et de désinclinaisons pour modéliser de façon continue les structures de cœur des dislocations et des joints de grains ainsi que leurs interactions. Le vecteur de Burgers/Frank des dislocations/désinclinaisons est régularisé par l’introduction d’un tenseur densité de dislocations/désinclinaisons. A ces densités de défauts sont associées des déformations et des courbures élastiques et plastiques incompatibles responsables de champs de contraintes et de moments de contraintes internes. Le mouvement des défauts produit de la plasticité et est pris en compte par des équations de transport qui font intervenir des forces motrices agissant sur les densités de défauts. Dans un premier temps, les désinclinaisons sont ignorées et nous appliquons la théorie de champ de dislocations seule pour étudier les structures de cœur de dislocations planaires en comparaison avec le modèle de Peierls-Nabarro. La relaxation d’une structure de cœur de dislocation coin initiale arbitraire révèle un étalement infini des densités de dislocations sous l’action de leur propre champ de contrainte interne. Pour stopper cette relaxation infinie, nous proposons d’ajouter une énergie de misfit dans notre modèle. Cette dernière donne lieu à une contrainte de rappel qui s’oppose à l’étalement des cœurs de dislocations et permet d’obtenir des configurations équilibrées. On retrouve la solution de Peierls-Nabarro si on utilise un potentiel sinusoïdal pour l’énergie. Nous substituons ensuite ce potentiel par des énergies de fautes d’empilement généralisées obtenues à partir de simulations atomistiques pour modéliser la dissociation des dislocations et leur mouvement dans le zirconium et le titane. Dans un deuxième temps, nous considérons la théorie complète et nous développons des lois d’élasticité constitutives qui sont propres aux défauts cristallins. Nous proposons qu’en plus des tenseurs élastiques habituels, des tenseurs d’élasticité additionnels existent au niveau du cœur des défauts et relient respectivement les contraintes aux courbures et les moments de contraintes aux déformations. Ces tenseurs sont de nature non locale par définition à cause des relations cinématiques entre déformations et courbures. Ils sont non nuls au niveau des cœurs des défauts où les hétérogénéités de déformations et de courbures sont fortes et deviennent nuls loin des défauts par centrosymétrie. On applique ces nouvelles lois d’élasticité à des distributions de dislocations et de désinclinaisons. On montre que les termes non locaux donnent lieu à des contraintes/moments de contraintes de rappel qui s’opposent aux parties locales. Dans le cas de la dislocation coin, on montre que sa représentation avec un dipôle de désinclinaison coin permet d’obtenir une configuration équilibrée sans l’ajout d’énergie de misfit. On étudie ensuite les interactions élastiques entre dislocations et joints de grains / In this contribution, we apply and develop a mechanical theory of dislocation and disclination fields, to model in a continuous way the core structure of dislocations and grain boundaries, as well as their interactions. The Burgers/Frank vector of dislocations/disclinations is regularized by the introduction of dislocation/disclination density tensors. Incompatible elastic and plastic strains and curvatures are associated to these defect densities and they lead to internal stress and couple stress fields. The motion of defects yields plasticity. It is accounted for by transport equations, where driving forces act on the defect densities. First, we overlook disclinations and we apply the pure dislocation model to investigate the structure of planar dislocation cores, in comparison with the Peierls-Nabarro model. The self-relaxation of an initially arbitrary core structure of an edge dislocation reveals that an infinite spreading of the dislocation density occurs under its own stress field. To stop this endless relaxation, we propose to add a misfit energy in our model. The latter yields a restoring stress that opposes to the spreading of dislocation cores and allows predicting equilibrium core structures. We retrieve the Peierls-Nabarro solution when we use a sinusoidal potential for the misfit energy. We then substitute this sinusoidal potential for generalized stacking fault energies as obtained from atomistic simulations, in order to model the dissociation and motion of dislocations in zirconium and titanium. Second, we consider the full theory and we develop elastic constitutive laws that are specific to crystal defects. We propose that in addition to standard elasticmoduli tensors, additional elastic tensors exist in the core regions of defects and relate respectively stresses to curvatures and couple stresses to strains. These tensors are nonlocal by definition due to kinematic relations between strains and curvatures. They are non-zero in the core of defects, where strong heterogeneities of strains and curvatures occur, and they become progressively null far from the defects due to centrosymmetry. We apply these new elastic laws to distributions of dislocations and disclinations. We show that the nonlocal elastic tensors lead to restoring stresses and couple stresses that oppose to their local parts. In the framework of edge dislocations, we show that the representation using dipoles of wedge disclination cores allows predicting equilibrium structures without adding a misfit energy. We then investigate elastic interactions between dislocations and grain boundaries

Le dioxyde d’uranium (UO2) est utilisé en tant que combustible, sous forme de pastilles élaborées par métallurgie des poudres, dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Lors de transitoires de puissance, le centre des pastilles est le siège de mécanismes de déformation visco-plastique qui peuvent être partiellement reproduits, hors irradiation, par des essais de compression uniaxiale à haute température (typiquement 1500°C). Les conditions de sollicitation et la microstructure initiale des pastilles d’UO2 ont une influence sur leur comportement mécanique macroscopique. A l’échelle des grains, des mécanismes de sous-structuration interviennent mais, à ce jour, la sous-structure n’est pas quantifiée et le rôle des pores sur ces mécanismes n’est pas connu. Afin d’apporter des réponses sur ces points, deux lots de pastilles (L1 et L2) de taille de grains similaires, de même fraction volumique de pores, mais ceux-ci étant distribués différemment (2,5 fois plus de pores intra-granulaires dans L1 que dans L2), ont été fabriqués. Ils ont ensuite été soumis à des essais mécaniques dans différentes conditions. Le résultat montre que le lot L2 présente une vitesse de fluage plus élevée que le lot L1. Les techniques Electron BackScatter Diffraction (EBSD) et Electron Channeling Contrast Imaging (ECCI) ont été mises en œuvre et optimisées pour suivre l’évolution de la microstructure après déformation. En EBSD, le développement d’une procédure adaptée aux matériaux poreux a permis de détecter des sous-joints de grains (S-JG) de très faible désorientation (jusqu’à 0,1°), de mener une étude statistique de l'évolution de la sous-structuration des grains et d'évaluer la densité de dislocations géométriquement nécessaires générées. Différents types d’arrangements de dislocations formant les S-JG ont été révélés et analysés par ECCI. Grâce à la complémentarité de l’EBSD et de l’ECCI, la répartition des pores dans les grains et la localisation des S-JG ont pu être mises en regard. Les résultats montrent que le nombre ainsi que la fraction linéaire des S-JG et leur désorientation augmente avec le taux et la vitesse de déformation. Aux forts taux de déformation, cela conduit à la formation de nouveaux grains par un mécanisme de restauration/recristallisation dynamique par rotation de sous-grains. Pour des conditions de sollicitation identiques, les échantillons du lot L1 présentent un nombre et une fraction linéaire de S-JG nettement supérieurs à ceux du lot L2. De plus, dans le lot L1, les S-JG se localisent essentiellement à proximité des joints de grains alors qu’ils sont répartis dans l’ensemble du grain pour le lot L2. Ces différences seraient liées à une réduction du libre parcours moyen des dislocations du fait de la présence des pores intra-granulaires / Uranium dioxide (UO2) is used as a fuel, in pressurized water nuclear reactors, in the form of pellets produced by powder metallurgy. During power transients, the center part of pellets undergoes visco-plastic deformation by creep mechanisms. These mechanisms can be partially reproduced, out of irradiation, by uniaxial compression tests at high temperature (typically 1500°C). Testing conditions and initial microstructure of the UO2 pellets influence their macroscopic mechanical behavior. At the grain scale, sub-structuring mechanisms are involved, but, up to now, the sub-structure is not quantified and the role of pores on these mechanisms is unknown. In order to provide answers to these points, two batches of pellets (L1 and L2), characterized by a similar grain size, a same volume fraction of pores, but different pores distribution (2.5 times more intra-granular pores in L1 than in L2), were elaborated. They were submitted to mechanical tests under different conditions. The result shows that L1 has as a lower creep rate than L2. Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and Electron Channeling Contrast Imaging (ECCI) techniques were used and optimized for porous materials to analyze the evolution of the microstructure after deformation. An original EBSD methodology was implemented to detect Sub-Grain Boundaries (S-GB) with very low disorientation angles (down to 0.1°), study statistically the grain fragmentation into sub-grains and evaluate the average density of the geometrically necessary dislocations. Thanks to ECCI, the arrangement of dislocations in some S-GB was evidenced and analyzed. EBSD and ECCI complementarity allowed relating the distribution of pores within the grains and the S-GB location. The results obtained on the two batches show that the number and the linear fraction of S-GB increases with the deformation level and rate. At high deformation rates, new grains appear by a mechanism of dynamic recovery/recrystallization by rotation of sub-grains. For identical loading conditions and strain rates, the samples of batch L1 have a number and a linear fraction of S-GB that are significantly higher than those of batch L2. Furthermore, in batch L1, S-GB are located essentially in the vicinity of the grain boundaries while they are distributed throughout the grain for batch L2. These microstructural differences seem to be related to a dislocation's mean free path reduction due to the presence of intra-granular pores

L'Alliage 600 (Ni-15%Cr-10%Fe) est réputé sensible à la Corrosion Sous Contrainte (CSC) en milieu primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Des études récentes ont montré que la diffusion du chrome était une étape limitante dans la compréhension des mécanismes de CSC. En particulier, le mécanisme d'oxydation interne contrôlé par le taux de défauts local. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse a été de produire des données expérimentales concernant la cinétique de diffusion du chrome en fonction de différents états métallurgiques. Les coefficients de diffusion du chrome ont été mesurés par Spectrométrie de Masse des Ions Secondaires (SIMS) et Spectrométrie à Décharge Luminescente (SDL) en volume et aux joints de grains dans la gamme de température 678 K-1060 K sur des échantillons en nickel pur et d'Alliage 600 monocristallin ou polycristallin. Une partie de cette thèse s'est focalisée sur l'effet de la déformation plastique sur la cinétique de diffusion du chrome pour des échantillons en nickel monocristallin (orienté <101>). Les expériences de diffusion ont été réalisées sur des échantillons non déformés, pré-écrouis à 4% et 20% de déformation plastique et sur des essais in-situ de diffusion en fluage. Les résultats ont montré que les coefficients de diffusion mesurés sur les éprouvettes déformées plastiquement sous charge constante sont supérieurs de six ordres de grandeur à ceux obtenus à l'état non déformé ou pré-écroui. L'accélération de la cinétique de diffusion peut être attribuée à un couplage entre la mobilité des dislocations et la vitesse de déformation plastique. / Alloy 600 (Ni-15%Cr-10%Fe) is known to be susceptible to Stress Corrosion Cracking (SCC) in primary water of Pressurized Water Reactors (PWR). Recent studies have shown that chromium diffusion is a controlling rate step in the comprehension of SCC mechanism. In order to improve the understanding and the modelling of SCC of Alloy 600 in PWR primary medium the aim of this study was to collect data on kinetics diffusion of chromium. Volume and grain boundary diffusion of chromium in pure nickel and Alloy 600 (mono and poly-crystals) has been measured in the temperature range 678 K to 1060 K by using Secondary Ions Mass Spectroscopy (SIMS) and Glow Discharge-Optical Spectrometry (GD-OES) techniques. A particular emphasis has been dedicated to the influence of plastic deformation on chromium diffusion in nickel single crystals (orientated <101>) for different metallurgical states. The experimental tests were carried out in order to compare the chromium diffusion coefficients in free lattice (not deformed), in pre-hardening specimens (4% and 20%) and in dynamic deformed tensile specimens at 773 K. It has been found that chromium diffusivity measured in dynamic plastic deformed creep specimens were six orders of magnitude greater than those obtained in not deformed or pre-hardening specimens. The enhancement of chromium diffusivity can be attributed to the presence of moving dislocations generated during plastic deformation.

Cette étude présente le brasage isotherme sous vide des alliages d’aluminium appliqué à la fabrication d’échangeurs thermiques. Ainsi, on étudie les évolutions microstructurales des nuances 3003 (Al-Mn) et 4004 (Al-Si-Mg) au cours des différentes étapes du cycle de brasage. Une double approche est mise en œuvre. Dans un premier temps, des échantillons modèles sont traités thermiquement en laboratoire. On suit l’évolution des phases en présence dans les deux alliages et les phénomènes de diffusion à l’état solide grâce à des analyses EDS. Nous montrons que les outils de simulation thermodynamique Thermo-Calc et DICTRA sont fiables à des températures supérieures à 400°C. On propose ensuite une description des mécanismes gouvernant la fusion du métal d’apport. Nous montrons qu’elle aboutit à la ségrégation d’un liquide enrichi en Si à la surface du métal d’apport. Dans un deuxième temps, des essais sont réalisés en industrie afin de prendre en compte les paramètres du brasage réel. Nous mettons en évidence des phénomènes de dissolution excessive et de pénétration de liquide aux joints de grains. Nous identifions les mécanismes qui gouvernent l’apparition de ces problèmes métallurgiques au cours du brasage. Ainsi, une faible taille de grains du métal de base et une diffusion préférentielle aux joints de grain sont mises en cause / This study deals with the vacuum TLP (Transient Liquid Phase) brazing of aluminum alloys applied to the manufacture of heat exchangers. Thus, the microstructure evolutions of 3003 (Al-Mn) and 4004 (Al-Si-Mg) alloys during the whole assembly process are studied. Firsty, model samples are heat treated in laboratory. The phase transformations and the solid state diffusion between the filler alloy and the base alloy are studied. The results are compared to thermodynamic predictions obtained with both Thermo-Calc and DICTRA softwares. We conclude that these tools are reliable at temperatures above 400°C. The fusion path of the filler alloy is described. It is shown that a Si enriched liquid is formed at the clad surface. On a second time, tests are carried out in industrial conditions, in order to take actual brazing parameters into account. Excessive dissolution and liquid penetration at grain boundaries are observed. The fine grained structure of the base alloy associated to a preferential diffusion at grain boundaries appear to be the main causes

L’intégrité des couches protectrices d’oxyde thermiques se développant à haute température à la surface des matériaux métalliques dépend des niveaux de contraintes générées et de leurs mécanismes de relaxation. Le comportement des films de chromine formés sur les alliages modèles NiCr et Fe47Cr a ici été étudié. Les contraintes résiduelles générées après oxydation des substrats à différentes températures (700°C-1000°C) et durées d’oxydation (3h et 18h) ont été déterminées par spectroscopie Raman. Ces contraintes évoluent avec les conditions d’oxydation de manière monotone (système Ni30Cr/Cr2O3) ou non (système Fe47Cr/Cr2O3). Les variations de déformation à l’échelle du grain ont aussi été suivies par AFM. Pour le premier système, relaxation non destructive par fluage de l’oxyde et délamination sont plus ou moins activées en bon accord avec l’évolution des contraintes résiduelles. Dans le second cas, un mode supplémentaire de relaxation des contraintes par fissuration doit également entrer en jeu. Les propriétés viscoplastiques des couches de chromine formées sur Ni30Cr et Ni28Cr ont pu être caractérisées par diffraction in situ à haute température sur rayonnement Synchrotron, en découplant les effets liés à l’activation thermique de ceux liés à la taille de grain. Le type de fluage intervenant dans la relaxation des contraintes générées dans les couches de chromine a pu être mis en évidence en confrontant les résultats obtenus à un modèle théorique de fluage diffusion. La valeur de l’énergie d’activation associée (130 kJ/mol) a montré, par comparaison avec les données de la littérature, que ce mode non destructeur de relaxation est gouverné par le transport des anions d’oxygène aux joints de grains de l’oxyde. L’ajout d’un élément réactif (Y ou Zr) au substrat Ni28Cr provoque, avec l’augmentation de la quantité introduite, un ralentissement croissant de la cinétique de formation des films de chromine. Cependant, cette quantité introduite ne semble exercer aucun effet significatif sur les niveaux de contraintes résiduelles. A l’échelle microscopique, on constate en général une diminution de la taille des grains avec la présence d’éléments réactifs, une double distribution ayant aussi été observée pour les quantités élevées. Les résultats issus des mesures par diffraction in situ et ceux obtenus par AFM (glissement aux joints de grains de l’oxyde) ont montré que la capacité des films de chromine à relaxer les contraintes grâce à leur comportement viscoplastique pourrait être retardée et/ou diminuée en présence des éléments yttrium et zirconium. Toutefois, ce mécanisme pourrait opérer pour des épaisseurs plus faibles des films de chromine. / Integrity of protective oxide scales developing at the metallic alloys surface at high temperature depends on the stress generation and their relaxation mechanisms. In this work, the behaviour of chromia scales formed on NiCr and Fe47Cr model alloys has been investigated. Raman spectroscopy was used to determine the residual stress level in chromia thin films after oxidation at different temperatures (700°C-1000°C) for 3 h and 18 h. A monotonous evolution of residual stresses with oxidation conditions was noted for the Ni30Cr/Cr2O3 system but not for the Fe47Cr/Cr2O3 one. The strain variations at microscopic scale was also determined by using atomic force microscopy. For the first studied system, non destructive relaxation by creep of the oxide and buckling can be more or less activated, in agreement with the residual stresses evolution. And a third additional stress release mode by intra film cracking could take place for the second system. In situ high temperature oxidation coupled with Synchrotron X-rays diffraction was also used to characterize the viscoplastic properties of chromia scales grown on Ni30Cr and Ni28Cr, with dissociating the effects related to thermal activation and grain size. The creep mechanism responsible of stress release in chromia scales has been evidenced by comparing experimental results with a diffusional creep model. Confrontation of the obtained activation energy (130 kJ.mol-1) with literature results has shown that this non destructive relaxation mode was likely governed by grain boundary transport of oxygen species. When a reactive element (Y or Zr) was added to the metallic substrate Ni28Cr, an important decrease of the oxidation rate was noted when increasing the amount of introduced element. No significant effect of this quantity on the residual stress level was however observed. At microscopic scale, a reduction of grain size has been also noted and two distinguished grains distribution appeared for the higher quantities. Results of in situ Synchrotron diffraction measurements and those of atomic force microscopy (grain boundary sliding) showed that the ability of chromia films to release stress thanks to their viscoplastic properties could be delayed and/or decreased with the presence of an active element. However, this mechanism could operate for smaller chromia films thicknesses.

En perspective de la prolongation de la durée de vie en service des REPs, il est de plus en plus important d’obtenir une évaluation fiable de l’évolution de la microstructure des aciers constituant la cuve des REPs et de leurs propriétés correspondantes. Un mécanisme de fragilisation non-durcissante, dû à la ségrégation intergranulaire du P qui affaiblirait la cohésion des joints de grains, pourrait contribuer à la fragilisation et doit donc être étudié. Les présents travaux ont pour objectifs d’étudier la ségrégation intergranulaire du P dans un acier de cuve de réacteur afin (i) de connaître l’influence du type de joint de grain sur la ségrégation du P, (ii) de clarifier l’influence des conditions de vieillissement (vieillissement thermique et irradiation ionique) sur la ségrégation du P et (iii) de faire une comparaison avec les modèles disponibles et proposés ici.Pour cela, une méthodologie corrélative -Diffraction des Électrons Rétrodiffusés (EBSD), Diffraction de Kikuchi en Transmission (TKD) et Sonde Atomique Tomographique (APT) -a été adoptée pour étudier la ségrégation intergranulaire. Les informations cristallographiques (5 paramètres) et la composition chimique ont été collectées et systématiquement corrélées. Les aciers ont une microstructure complexe de ferrite aciculaire et de carbures intergranulaires. La ségrégation des solutés aux joints des grains (joints des grains faiblement désorientés (LAGB), joints des grains fortement désorientés généraux (HAGB) et Σ3HAGBs) et aux interfaces (interfaces carbure-ferrite M2.0-3.2C et interfaces cémentite-ferrite) a été quantifiée. Il existe une ségrégation évidente d'un élément ou de plusieurs espèces chimiques (C, P, Mn, Mo, Cr, Si et Ni) pour tous ces types de défauts plans. Tenant compte de la nature des éléments ségrégants et de la cristallographie du joint de grain, les ségrégations interstitielles et substitutionnelles ont été quantifiées et discutées. Sur la base d’un grand nombre de données, il apparaît que les niveaux moyens des segrégations en P sont plus élevés dans les HAGBs généraux ou les LAGBs que les autres types d'interfaces quel que soit le vieillissement envisagé. Par ailleurs, les résultats expérimentaux ont été comparés avec les résultats prévus par des modèles analytiques pour des systèmes binaires, ternaires et multi-composants. Bien qu'ayant un niveau de ségrégation du P prédit plus élevé, le modèle ternaire Fe-P-C se rapproche le plus des résultats expérimentaux. / With expectations for extending the service lifespans of PWRs, it is of great importance to get a reliable evaluation of the microstructural evolution and the corresponding property changes of RPV steels. A non-hardening mechanism, due to intergranular P segregation that impairs the grain boundary (GB) cohesion, may contribute to the embrittlement and thus needs to be studied. The present work aims to investigate the intergranular P segregation behavior in a RPV steel in order to (i) determine the influence of GB type on P segregation behavior, (ii) clarify the influence of ageing conditions (thermal ageing and ion irradiation) on P segregation behavior and (iii) make a comparison with the existing analytical models. To reach these objectives, a correlative - Electron Backscatter Diffraction (EBSD), Transmission Kikuchi Diffraction (TKD) and Atom Probe Tomography (APT) - methodology was adopted to study the GB segregation behavior. The crystallographic information (5 parameters) and chemical composition were collected simultaneously. The steels have a complex microstructure of acicular ferrite and intergranular carbides. The solute segregation at GBs (Low Angle Grain Boundaries (LAGBs), general High Angle Grain Boundaries (HAGBs) and Σ3 HAGBs) and interfaces (M2.0-3.2C carbide-ferrite interfaces and cementite-ferrite interfaces) were quantified. There is an obvious segregation of one element or several chemical species (C, P, Mn, Mo, Cr, Si and Ni) at all boundary types. Taking into account the nature of segregants and the five-parameter GB crystallography, both interstitial and substitutional segregation behaviors were discussed. Based on a large dataset, it appears that the average P segregation levels are higher in general HAGBs or LAGBs than in other boundary types. Besides, the experimental results were compared to the predicted ones from analytical models for binary, ternary and multicomponent systems. Though with a higher predicted P segregation level, the Fe-P-C ternary model seems to better fit the experimental results in all ageing conditions.

La ségrégation désigne de manière générale des écarts locaux à la concentration nominale d'un soluté dans un solvant. On appelle ségrégation " intergranulaire " le regroupement d'atomes de solutés sur les joints de grains d'un matériau. Ce phénomène est à l'origine de formes d'endommagement bien connues dans les matériaux métalliques. Notre mémoire s'articule en deux parties principales. La première partie concerne le développement de nouvelles méthodes expérimentales pour la quantification de la ségrégation intergranulaire. La spectroscopie d'électrons Auger est la technique expérimentale de prédilection pour l'étude des ségrégations intergranulaires. Elle présente cependant plusieurs inconvénients : préparation d'échantillon difficile, rareté des instruments, aptitude limitée à l'analyse quantitative. Depuis 2006, nous avons développé deux méthodes alternatives à la spectroscopie Auger, que nous présentons en détail. La première technique est fondée sur la spectroscopie de photons X à dispersion de longueur d'onde, qu'on désigne par l'acronyme anglais WDS (Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy). Elle peut être mise en œuvre dans un microscope électronique à balayage muni d'un détecteur WDS. La seconde méthode repose sur la spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS : Secondary Ion Mass Spectrometry). Pour clore cette première partie du manuscrit, nous présentons une étude de la ségrégation d'équilibre du soufre aux joints de grains du nickel. Nous y confrontons les résultats de trois méthodes de quantification (Auger, WDS et SIMS), pour souligner leur complémentarité. La deuxième partie du mémoire porte sur la ségrégation hors d'équilibre. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la ségrégation intergranulaire du soufre dans le nickel en cours de déformation plastique à chaud. La ségrégation intergranulaire du soufre au cours de la mise en forme à chaud des alliages de nickel est encore à l'heure actuelle à l'origine d'endommagements importants. En particulier, l'étape de réchauffage des lingots, avant laminage, conduit souvent à de la fissuration intergranulaire en surface et sous-surface. Il s'agit ici de comprendre la cinétique de ségrégation intergranulaire, en relation avec la température et la vitesse de déformation. Les résultats montrent un effet accélérateur fulgurant de la déformation plastique sur la cinétique de ségrégation. On observe de plus, de façon assez inattendue, une quasi-proportionnalité des vitesses de ségrégation et de déformation, et une quasi-indépendance à la température. Nous proposons deux interprétations de ces observations : l'une fondée sur les lacunes de déformation plastique qui accélèrent la diffusion du soluté, l'autre sur les dislocations, qui agissent à la fois comme " collecteurs " de soluté et comme courts-circuits de diffusion. Enfin, nous nous intéressons à l'effet accélérateur des anciens joints de grains austénitiques sur la ségrégation du phosphore à la surface d'un acier martensitique.