Il est crucial de garantir l'intégrité des cuves de réacteurs à eau pressurisée (REP) en cas de fonctionnement accidentel : dans ce contexte, la compréhension et la modélisation des mécanismes de rupture fragile des aciers constituent des éléments décisifs de l'évaluation complexe des durées de vie des cuves.<br /><br />Les modèles d'approche locale de la rupture par clivage constituent l'un des principaux outils de prédiction de la ténacité des aciers faiblement alliés. La dispersion des contraintes à rupture est interprétée comme un effet de la distribution des défauts dans la microstructure, mais l'effet des hétérogénéités mécaniques n'est pas pris en compte. Or, en dessous d'une température de transition de comportement Ta (de l'ordre de 25°C), les mécanismes de déformation sont grandement affectés par la température et la vitesse de déformation.<br /><br />Notre approche consiste à prendre en compte l'effet des hétérogénéités de contraintes dans un critère local d'amorçage du clivage. Les résultats de calculs de microstructure sont utilisés pour proposer une description statistique de l'évolution des distributions de contraintes locales. Cette approche statistique permet de proposer un modèle d'approche locale de la rupture dépendant à la fois des hétérogénéités mécaniques et des distributions de tailles de défauts.<br /><br />Le comportement du matériau et son évolution sont caractérisés aux échelles microscopique et macroscopique dans le domaine de température [25°C,-196°C]. Des essais de traction simple, de sauts de vitesse et de température, et de ténacité sont réalisés.<br /><br />Nous proposons un modèle de comportement micromécanique décrivant le comportement plastique en dessous de la température de transition Ta. La loi de comportement est basée sur les mécanismes de déformation décrits dans la bibliographie et identifiées par méthode inverse à partir des essais mécaniques. Les observations au MET et la caractérisation du comportement activé thermiquement permettent de fixer plusieurs paramètres du modèle.<br /><br />Des simulations sont réalisées afin de modéliser les distributions de contrainte principale Σ1 dans deux microstructures bainitiques correspondant au volume élémentaire de l'approche locale de la rupture. L'effet de la température et de la triaxialité sur l'évolution des hétérogénéités est caractérisé. Nous proposons une fonction de distribution décrivant la distribution des valeurs locales de Σ en fonction des contraintes principales et équivalente <Σ> et <Σmises> moyennes dans la microstructure.<br /><br />Cette fonction est utilisée pour formuler un modèle d'approche locale de la rupture intégrant la distribution des tailles de défauts critiques et les distributions de Σ1.. On montre que dans certains cas, la dispersion des contraintes locales suffit à expliquer les dispersions des contraintes à rupture à l'échelle du volume élémentaire. Les dispersions de contraintes à rupture sont en accord avec celles prédites par le modèle de Beremin. La prise en compte des hétérogénéités mécaniques permet d'introduire une dépendance de la probabilité de rupture en fonction de la température, de la déformation et de la triaxialité. Il reste à appliquer le modèle d'approche locale au calcul d'éprouvettes CT et de comparer les dispersions de ténacités simulées à celles mesurées expérimentalement.

Ces vingt dernières années, le développement de réseaux haute résolution sismologiques et géodésiques denses a permis la découverte de nouveaux signaux géophysiques parmi lesquels on trouve les trémors non-volcaniques (Non-volcanic tremor, NVT, Obara 2002) et les glissements lents épisodiques (Slow Slip Event, SSE, Dragert et al., 2001). La combinaison de NVT et de SSE est communément observée le long des frontières de plaques, entre la zone sismogénique bloquée à faible profondeur et la zone en fluage ductile à plus grande profondeur (Dragert et al., 2004). Cette association définie des glissements et trémors épisodiques (Episodic Tremor and Slip, ETS), systématiquement associés à des surpressions de fluides et à des conditions proches de la rupture. Dans cette thèse, nous proposons de combiner une étude microstructurale de roches exhumées avec une approche par modélisation numérique afin de reproduire et de mieux comprendre la mécanique des glissements et trémors épisodiques.Nous nous sommes concentrés sur des roches continentales provenant de la Zone de Cisaillement Est du Tende (Corse, France), correspondant à une zone de cisaillement Alpine kilométrique ayant enregistré une déformation dans la zone de subduction (10 kb / 400-450°C, Gueydan et al., 2003). Ces conditions pression-température sont cohérentes avec la localisation des ETS dans les zones de subduction. Les analyses microstructurales et EBSD de ces roches mettent en évidence des localisations de la déformation le long de zones de cisaillement centimétriques contrôlées par une rhéologie dépendante de la taille des grains. La microfracturation de la phase dure (ici du feldspath) et le colmatage de ces microfractures correspondent, respectivement, à de processus de réduction et d’augmentation de la taille des grains.La plupart des récentes modélisations des ETS sont basées sur une loi frictionnelle dite rate-and-state, associant les SSE et les NVT à un cisaillement sur un plan. Contrairement à ces modèles, nous souhaitons modéliser l’ensemble de la roche (et non pas uniquement un plan) avec une rhéologie ductile dépendante de la taille des grains directement guidée par nos observations microstructurales (avec microfracturation et colmatage), Nous faisons l’hypothèse que les SSE peuvent résulter d’une localisation ductile de la déformation et non d’un glissement sur des fractures. Durant la localisation de la déformation, le pompage des fluides peut déclencher une fracturation de la roche par surpression de fluide, ce qui pourrait être la signature des NVT. Le modèle numérique 1D présenté ici nous permettra de valider ces hypothèses. En suivant la loi de Darcy, notre approche nous permet également de prédire les variations de la pression de pore en fonction des variations de la porosité/perméabilité et du pompage des fluides.Les résultats numériques montrent que l’évolution dynamique des microstructures, dépendante des fluides, définie des cycles de localisation ductile de la déformation liés aux augmentations de la pression de fluide. Notre modèle démontre que la disponibilité des fluides et l’efficacité du pompage des fluides contrôlent l’occurrence des ETS. Nous prédisons également les conditions pression-température nécessaires au déclenchement des ETS : 400-500°C et 30-50 km de profondeur en subduction, et ~500°C et 15-30 km de profondeur le long des zones de décrochement. Ces conditions PT sont cohérentes avec les exemples naturels.Aussi simple soit-elle, notre modèle mécanique s’appuyant sur des observations de terrain décrit correctement la relation entre surpressions de fluides, rhéologie dépendant de la taille des grains et le déclenchement des ETS. Des travaux restent à entreprendre comme par exemple la comparaison directe de nos résultats avec des données géophysiques (GPS) ou bien l’introduction d’un nouvelle assemble minéralogique, comme par exemple des roches mafiques pour prendre en compte des minéralogies océaniques. / These last twenty years, the development of dense and highly sensitive seismologic and geodetic networks permits the discovery of new geophysical signals named non-volcanic tremor (Obara 2002) and slow slip events (Dragert et al., 2001). The combination of non-volcanic tremor and transient slow slip is commonly observed at plate interface, between locked/seismogenic zone at low depths and stable/ductile creep zone at larger depths (Dragert et al., 2004). This association defines episodic tremor and slip, systematically highlighted by over-pressurized fluids and near failure shear stress conditions. In this thesis we propose to combine a microstructural analysis of exhumed rocks with a modeling approach in order to accurately reproduce and understand the physics of episodic tremor and slip.We focus on continental rocks from the East Tenda Shear Zone (Corsica, France), a kilometer-wide localized Alpine shear zone that record HP/LT deformation (10kb / 400-450°C, Gueydan et al., 2003). Such pressure-temperature conditions are consistent with the location of episodic tremor and slip in subduction zone. Microstructural and EBSD analyses on these rocks describe a pattern of strain localization in centimeter-scale shear zones guiding by a grain size-sensitive creep. Microfracturing of the strong phase (feldspar here) and the sealing of these microfractures act, respectively, as grain size decrease and grain size increase processes.Most of recent modeling approaches of episodic tremor and slip are based on the rate-and-state variable friction law, describing slow slip event and non-volcanic tremor as slow shear slip on a plane. In contrast with such models, we wish to model the entire rock volume, with a ductile grain size-sensitive rheology guided by our microstructural observations (e.g. microfracturing and sealing as grain size variation processes). We hypothesize that slow slip events may result from ductile strain localization and not transient slip on fractures. Fluid pumping during strain localization may trigger whole rock fracturing at near lithostatic conditions that can be the signature of non-volcanic tremor. The 1D numerical model presented here will allow us to validate these assumptions.We also can predict pore fluid pressure variation as a function of changes in porosity/permeability and strain rate-dependent fluid pumping following the Darcy’s flow law. The fluid-enhanced dynamic evolution of microstructure defines cycles of ductile strain localization related to the increase in pore fluid pressure. We show that slow slip events can be ductile processes related to transient strain localization, while non-volcanic tremor can correspond to fracturing of the whole rock at peak of pore fluid pressure. Our model shows that the availability of fluids and the efficiency of fluid pumping control the occurrence of episodic tremor and slip. We also well predict the temperature and depth ranges of episodic tremor and slip: 400-500°C and 30-50 km in subduction zones and ~500°C and 15-30 km in strike slip settings, consistent with natural examples.As simplistic as it is, our field-guided mechanical model well describe, at first order, the relation between high pore fluid pressure, grain size-sensitive rheology and episodic tremor and slip. Some efforts remain to be done like a real fit of geophysical data (GPS) or the introduction of the new mineralogical assemblage, such as mafic rocks to reproduce oceanic environment.

L'étude porte sur le comportement à rupture des structures minces soudées dans le domaine de transition fragile/ductile. Elle a pour objectif de proposer un critère permettant de définir les conditions pour lesquelles le risque de rupture par clivage reste nul sur une structure fissurée.<br /><br />L'étude bibliographique montre que les difficultés de la prédiction du comportement à rupture d'une structure sont dues au fait que la probabilité de rupture dépend des champs mécaniques en pointe de fissure. Le domaine de transition fragile/ductile dépend donc de la géométrie étudiée.<br /><br />Une contrainte seuil, en-dessous de laquelle le clivage ne peut avoir lieu, est définie à partir d'essais sur éprouvettes entaillées rompues à très basse température.<br /><br />L'analyse numérique par éléments finis d'essais de rupture sur éprouvettes CT dans le domaine de transition fait apparaître une relation linéaire entre la probabilité de rupture et le volume de matière ayant dépassé la contrainte seuil, montrant ainsi la pertinence du critère proposé. De plus, plusieurs relations simplifiant l'identification des paramètres du critère sont établies.<br /><br />Le critère est appliqué à un acier C-Mn de construction nucléaire, en s'intéressant plus particulièrement à la limite supérieure du domaine de transition. Un essai de rupture sur un tube aux dimensions d'utilisation est conçu, développé, réalisé et interprété grâce à une simulation numérique. Les résultats montrent premièrement qu'il existe sur la structure un décalage important du domaine de transition, dû au faible confinement de plasticité rencontré dans les structures minces, deuxièmement que le critère en contrainte seuil permet d'estimer simplement ce décalage.

Nous avons étudié la sensibilité du T91 à la fragilisation par le sodium liquide. Une procédure expérimentale a été mise en place afin de procéder à des essais mécaniques en sodium sous atmosphère inerte. Grâce à l'introduction d'une étape préliminaire d'exposition au sodium, la mouillabilité du T91 par le sodium liquide et la structure de l'interface sodium/acier ont pu être étudiés en fonction des différents paramètres d'exposition. Une réduction significative des propriétés mécaniques est observée quand le mouillage de l'acier par le sodium est bon. L'utilisation de différentes teneurs en oxygène et en hydrogène suggère que l'oxygène joue un rôle primordial dans l'amélioration de la mouillabilité du T91. La sensibilité du phénomène de fragilisation à la vitesse de sollicitation et à la température a été caractérisée. A partir de ces résultats, l'existence d'une transition fragile/ductile, fonction de ces deux paramètres a été mis en évidence. L'étude de cette transition suggère qu'une étape de diffusion du sodium dans les joints de grains du T91 est limitante pour la fragilisation. Des analyses en microscopie électronique en transmission et par cartographies d'orientation de fissures arrêtées ont également permis de constater que le mode de rupture est interlatte ou intergranulaire, fournissant ainsi une image cohérente du processus de fragilisation. La même méthodologie a été appliquée à l'acier non allié XC10. Les résultats montrent un comportement en tous points similaire à celui de l'acier T91 et suggèrent donc un mécanisme commun pour les aciers cubiques centrés. De plus, ils confirment que la transition fragile ductile observée semble la conséquence d'une vitesse de propagation de fissure fragile relativement limitée. Cette propagation est activée thermiquement avec une énergie d'activation d'environ 50 kJ/mol. Enfin, il a été montré que l'acier austénitique 304L est également sensible à la fragilisation par le sodium liquide. Certaines surfaces de rupture témoignent clairement d'une rupture intergranulaire, cependant des interrogations persistent à propos du chemin de fissuration.

Nous avons étudié la sensibilité du T91 à la fragilisation par le sodium liquide. Une procédure expérimentale a été mise en place afin de procéder à des essais mécaniques en sodium sous atmosphère inerte. Grâce à l’introduction d’une étape préliminaire d’exposition au sodium, la mouillabilité du T91 par le sodium liquide et la structure de l’interface sodium/acier ont pu être étudiés en fonction des différents paramètres d’exposition. Une réduction significative des propriétés mécaniques est observée quand le mouillage de l’acier par le sodium est bon. L’utilisation de différentes teneurs en oxygène et en hydrogène suggère que l’oxygène joue un rôle primordial dans l’amélioration de la mouillabilité du T91. La sensibilité du phénomène de fragilisation à la vitesse de sollicitation et à la température a été caractérisée. A partir de ces résultats, l’existence d’une transition fragile/ductile, fonction de ces deux paramètres a été mis en évidence. L’étude de cette transition suggère qu’une étape de diffusion du sodium dans les joints de grains du T91 est limitante pour la fragilisation. Des analyses en microscopie électronique en transmission et par cartographies d’orientation de fissures arrêtées ont également permis de constater que le mode de rupture est interlatte ou intergranulaire, fournissant ainsi une image cohérente du processus de fragilisation. La même méthodologie a été appliquée à l’acier non allié XC10. Les résultats montrent un comportement en tous points similaire à celui de l’acier T91 et suggèrent donc un mécanisme commun pour les aciers cubiques centrés. De plus, ils confirment que la transition fragile ductile observée semble la conséquence d’une vitesse de propagation de fissure fragile relativement limitée. Cette propagation est activée thermiquement avec une énergie d’activation d’environ 50 kJ/mol. Enfin, il a été montré que l’acier austénitique 304L est également sensible à la fragilisation par le sodium liquide. Certaines surfaces de rupture témoignent clairement d’une rupture intergranulaire, cependant des interrogations persistent à propos du chemin de fissuration. / We studied the sensitivity of T91 steel to embrittlement by liquid sodium. An experimental procedure was set up to proceed to mechanical testing in sodium under an inert atmosphere. The introduction of a liquid sodium pre-exposure step prior to mechanical testing enabled the study of both the wettability of T91 by sodium and the structure of the sodium steel/interface as a function of the exposure parameters. The mechanical properties of T91 steel are significantly reduced in liquid sodium provided the wetting conditions are good. The use of varying oxygen and hydrogen concentrations suggests that oxygen plays a major role in enhancing the wettability of T91. The sensitivity of the embrittlement to strain rate and temperature was characterized. These results showed the existence of a ductile to brittle transition depending on both parameters. Its characterization suggests that a diffusion step is the limiting rate phenomenon of this embrittlement case. TEM and EBSD analysis of arrested cracks enabled us to establish that the fracture mode is interlath or intergranular. This characteristic is coherent with the crack path commonly reported in liquid metal embrittlement. A similar procedure was applied to the unalloyed XC10 steel. The results show a behavior which is similar to the one of T91 steel and suggest a common mechanism for liquid sodium embrittlement of body centered cubic steels. Moreover, they confirm that the ductile to brittle transition seems associated with a limited crack propagation rate. The propagation is thermally activated with activation energy of about 50 kJ/mol. Finally, it was shown that 304L austenitic steel is sensitive to liquid sodium embrittlement as well. Some fracture surfaces testify of an intergranular fracture mode, but some questions still remain about the crack path.

Cette thèse a pour objectif de caractériser les circulations de fluides en contexte d’effondrement d’un prisme d’accrétion crustal. Le Metamorphic Core Complex (MCC) de Naxos comprend un système de détachement/décollement caractérisé par mylonites, ultramylonites, cataclasites et failles normales dont les relations géométriques témoignent du litage rhéologique de la croûte continentale. La chimie des inclusions fluides déterminée par l’analyse microthermométrique, la spectroscopie RAMAN, l’ablation laser couplée à l’analyse spectroscopique (LA-ICP-MS), le « crush-leach », et les signatures isotopiques C et H des inclusions fluides permettent d’identifier trois grands types de fluides (1) des fluides salés riche en métaux, ii) des fluides aquo-carboniques en équilibre avec les encaissants métamorphiques, et iii) des fluides aqueux, probablement d’origine météorique. Ces données indiquent que la croûte est subdivisée en deux réservoirs séparés par la transition fragile-ductile. Les fluides météoriques circulent en association avec la déformation fragile de la croûte supérieure alors que les fluides salés et les fluides aquo-carboniques circulent en relation avec la déformation ductile. La géométrie de ces réservoirs évolue lors de la formation du MCC, conjointement avec l’exhumation et le refroidissement des roches métamorphiques. Le passage des roches du réservoir ductile au réservoir fragile est associée à un changement depuis un gradient géothermique élevé (60-100°C/km) vers un gradient géothermique plus faible (35-60°C/km). La transition fragile-ductile correspond ainsi à la fois à une limite rhéologique corrélée à une limite thermique et une limite de perméabilité. / The aim of this thesis is to characterize fluid circulations in the context of the collapse of a crustal accretionary belt. The Naxos Metamorphic Core Complex comprises a detachment/decollement system characterized by mylonites, ultramylonites, cataclasites and normal faults with structural relationships reflecting the rheological layering at the crustal scale. Fluid inclusion chemistry is determined by microthermometry, Raman spectroscopy; laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS), crush-leach and stable isotopes (C and H) analyses. These data characterize three different types of fluids: (1) high salinity fluids with a high metal content and high Th, (2) aqueous-carbonic fluids in equilibrium with the wall rocks and (3) aqueous probably surface-derived fluids. These data indicate that the crust is subdivided into two crustal reservoirs separated by the brittle/ductile transition. Surface-derived aqueous fluids circulate in association with the brittle deformation within the upper crust whereas aqueous-carbonic and high salinity fluids circulate in relation with ductile deformation. The characteristics of the trapped fluids indicate that as rocks have passed through the ductile/brittle transition they undergo a drastic change in geothermal gradient from 60 to 100°C/km within a lithostatic pressure regime to 35-60°C/km within a hydrostatic pressure regime. This implies that the fluid circulations are closely related to the rheological layering within the crust and its evolution during crustal extension. The ductile/brittle transition corresponds to a rheological boundary correlated to a thermal boundary and impermeable cap.

L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l'étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d'en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d'une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L'effet de l'eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l'étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L'effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l'effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains.

Pour des intérêts technologiques, la compréhension des mécanismes de déformation des nano-structures est essentielle afin d'éviter que la relaxation des contraintes ne génère des défauts aux conséquences parfois catastrophiques. De plus, dans les nano-objets semi-conducteurs, les expériences montrent une transition fragile-ductile qui dépend de la taille des systèmes : ils sont ductiles pour des dimensions inférieures à quelques centaines de nanomètres, fragiles au-delà. Nous avons abordé ce problème via des calculs de dynamique moléculaire pour simuler des tests de déformation de nano-fils, et nous avons choisi le silicium comme prototype de matériau semi-conducteur. Nous avons dans un premier temps analysé des grandeurs mesurables comme les coefficients d'élasticité et la limite d'élasticité en fonction de différents paramètres, et montré notamment que la limite d'élasticité diminue quand la hauteur du nano-fil augmente. L'analyse à l'échelle atomique des systèmes déformés nous a permis de décomposer le comportement global des nano-fils en mécanismes élémentaires ; nous avons ainsi montré que la nucléation d'une première dislocation est à l'origine de l'ensemble des comportements, ductiles et fragiles. Après cette nucléation initiale, le comportement global du nano-fil est déterminé par la compétition entre la nucléation d'autres dislocations et l'ouverture de cavités. Finalement, nous avons essayé d'estimer quantitativement les degrés de ductilité et de fragilité des nano-fils en analysant l'énergie relaxée pendant le régime plastique par ces deux mécanismes élémentaires, et de rationaliser ainsi le rôle de la taille du système sur la transition fragile-ductile. / For technological interest, the understanding of the deformation mechanisms at the nano-scale is essential in order to prevent stress relaxation mechanisms that could lead to defects formation and/or to catastrophic failure. Furthermore, recent experimental findings showed in semiconductor nano-objects, a size dependent brittle to ductile transition: they are ductile below a few hundreds of nanometers, brittle above that scale. To investigate this behavior, we have used molecular dynamics as a tool to simulate deformation tests of nanowires and we have used silicon as a prototypical semiconductor material. First we analyzed a number of measurable quantities such as the elasticity coefficients and the elasticity limit with respect to various parameters and we found that the elasticity limit decreases when the length of the nanowire increases. An analysis of the atomic structure of the deformed systems allowed us to decompose the overall mechanical behavior of the nanowires into elementary mechanisms; we thus showed that the nucleation of a first dislocation was systematically at the origin of ductility and brittleness. After the initial dislocation nucleation, the competition between further dislocation nucleation events and cavities opening, determine the overall mechanical behavior of the nanowire. Finally, we tried to estimate quantitatively the degree of ductility and brittleness of the nanowires by analyzing the amount of energy released by those two elementary mechanisms during the plastic regime and we rationalized the role of the size of the deformed systems on the brittle to ductile transition.

De récents travaux consacrés à l’étude des propriétés des matériaux aux petites échelles ont souligné des différences exceptionnelles dans le comportement mécanique des nano-objets par rapport aux matériaux massifs. Dans le cas du silicium, une transition fragile-ductile à température ambiante a été observée lorsque la taille des échantillons est réduite. Cependant, les défauts et les mécanismes à l’origine de ce changement de comportement n’ont pas été clairement identifiés. Ce travail repose sur l’étude post mortem de nanopiliers déformés, en utilisant différentes techniques de microscopie électronique. Les nanopiliers étudiés ont été préparés par gravure plasma et déformés en compression à température ambiante. Les résultats obtenus durant cette thèse, confirment la différence de comportement des nano-objets par rapport au matériau massif. Par ailleurs, une grande variété de défauts produits lors de la compression a été observée. L’orientation cristallographique de l’axe de sollicitation semble avoir un impact important sur les mécanismes à l’origine du comportement ductile observé. La comparaison entre images HRTEM expérimentales et simulées témoigne de la propagation simultanée de dislocations partielles et parfaites dans les plans {111}. De plus, des événements plastiques ont également été observés dans des plans {115}. Divers mécanismes de déformation possibles impliqués lors de la compression des piliers sont décrits à partir des observations microscopiques. Un modèle tenant compte de l’influence sur la mobilité des dislocations des interactions entre systèmes de glissement est proposé afin d’expliquer la transition fragile-ductile observé aux petites échelles / Several recent works devoted to the study of the properties of materials at small scales have revealed exceptional differences in the mechanical behavior of nano-objects as compared to bulk material. In the case of silicon, a brittle-ductile transition at room temperature has been observed when the sample size decreases. However, the extended defects and mechanisms behind this behavioral change have not been clearly identified. This work is based on the post mortem study of deformed nanopillars, using different electron microscopy techniques. The studied nano-pillars of 100 nm in diameter were prepared by plasma etching (RIE) and deformed in compression at room temperature. The results obtained during this thesis confirm the difference in the behavior of nano-objects compared to bulk material. Moreover, a large variety of defects produced during plastic deformation has been observed. The crystallographic orientation of the deformation axis seems to have a significant impact on the mechanisms behind the observed ductile behavior. The comparison between experimental and simulated HRTEM images notably evidences the simultaneous propagation of partial and perfect dislocations in {111} planes. In addition, unexpected plastic events have also been observed in {115} planes. Various possible deformation mechanisms involved during the nano-compression of the pillars are described, based on the microscopic observations. Finally, a model considering the influence of interactions between various activated systems on the mobility of dislocations is proposed to explain the brittle-ductile transition observed at small scales in silicon

Ce travail présente une caractérisation expérimentale de la localisation de la déformation et la rupture sur un matériau synthétique analogue de la roche dans différentes conditions de chargement axisymétrique. L’évolution de la localisation de la déformation a été caractérisée par la technique de corrélation d’images bidimensionnelle. Deux gammes d’essais en compression et en extension ont été réalisées à différentes pressions de confinement Pc. Profitant de la technique DIC et de la caractérisation détaillée des propriétés constitutives de GRAM1 par Mas et Chemenda (2014; 2015), nous montrons que l'initiation de la localisation des bandes de déformation est précédée par la déformation élastique uniforme puis la déformation élasto-plastique. La localisation de la déformation est initiée dans le régime de dilatance (la dilatance β est positive) et d’adoucissement (le module d’écrouissage h est négatif). Au cours de l'évolution du chargement, la déformation à l'intérieur de la bande de localisation de la déformation devient compactive (β <0) et est accompagnée par un durcissement du matériau (h> 0). Ceci provoque dans un premier temps l’élargissement de la bande puis l’apparition de nouvelles bandes qui se forment successivement. La formation de ces nouvelles bandes provoque un ralentissement de la déformation dans les bandes préexistantes, ce qui densifie progressivement le réseau. Dans les essais en extension axisymétrique, les fractures se forment perpendiculaires à la contrainte principale mineure σ3 sous un état de contrainte extensif à faible Pc puis compressif quand Pc augmente. Nos résultats présentent une transition continue de la fracture extensive à la fracture cisaillante avec une augmentation de la contrainte compressive. Ceci est en accord avec les résultats obtenus pour les essais en extension réalisées sur des roches naturelles (Ramsey et Chester, 2004 ; Bobich 2005) / This work presents an experimental characterization of the strain localization and the rupture on a granular rock analogue material under different conditions of axisymmetric loading. The evolution of the strain localization was characterized by the two-dimensional image correlation technique. Two series of triaxial compression and extension tests were carried out at different confining pressure Pc. Taking advantage of the DIC technique and detailed characterization of GRAM1’s constitutive properties by Mas and Chemenda (2014, 2015), we show that the initiation of deformation localization bands is preceded by the uniform elastic and then elasto-plastic deformation. The strain localization is initiated in the dilatant regime (positive dilatancy factor β) and strain-softening (negative hardening modulus h). During the band evolution, the deformation within it becomes compactive (β<0) and is accompanied by the material hardening (h>0), which causes the band to widen and new bands to form successively. The formation of new bands causes a slowing down the deformation within the prior bands, which makes the progressively densified band network to continuously evolve. In axisymmetric extension tests, the fractures are formed perpendicular to the minor principal stress σ3 in an extensive stress state at low Pc then compressive when Pc increases. Our results show a continuous transition from the extensive fracture to shear fracture with an increase of compressive stress. This is suitable of the results obtained for extension tests performed on natural rocks (Ramsey and Chester, 2004; Bobich, 2005)