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This PhD work concerns the problem of bimetallic austenitic/martensitic steel connections. This research action focuses on a 316L austenitic steel (X2 CrNiMo 18-12-02) / Fe-9Cr-1Mo (X10 CrMo 9-1) martensitic steel connection. The objective is to understand the metallurgical problems related to the assembly of these two steels and to evaluate the possibilities of using powder metallurgy and additive manufacturing to produce austenitic/martensitic steel transitions. A weld obtained by electron beam is used as a reference for this study which focuses on the interest of powder metallurgy to achieve a transition between two steels. Materials with a chemical composition gradient have been consolidated by HIP and SPS and show very good mechanical properties and an excellent junction between the two steels. By additive manufacturing (DED-LB or PBF-LB), we also obtain very good bonds between the two steels, but the microstructures are much more complex. Curiously, we observe that the higher the cooling rate, the higher the ferrite fraction in the martensitic steel. Different calculations based on the nucleation and growth of the austenitic phase have made it possible to propose a coherent scenario to explain the phase fractions present in the materials. The transition zone between the two steels shows strong variations in hardness. These variations are explained by changes in chemical composition, leading to modifications in phase change temperatures, and the particular thermal cycles seen during building. From a technological point of view, materials obtained by additive manufacturing have tensile performances very similar to those obtained by electron beam welding. It is shown that additive manufacturing also makes it possible to control the composition gradient between a martensitic and an austenitic steel., Ces travaux de thèse concernent la problématique des liaisons bimétalliques acier austénitique/acier martensitique. Cette action de recherche se focalise sur une liaison acier austénitique 316L (X2 CrNiMo 18-12-02) / acier martensitique Fe-9Cr-1Mo (X10 CrMo 9-1). L’objectif est de comprendre la problématique métallurgique liée à l’assemblage de ces deux types de nuance et d’évaluer les possibilités de réaliser par métallurgie des poudres et par fabrication additive des transitions aciers austénitiques/aciers martensitiques. Une soudure obtenue par faisceau d’électrons sert de liaison de référence pour cette étude qui se focalise sur l’intérêt de la métallurgie des poudres pour réaliser une transition entre deux aciers. Des matériaux à gradient de composition chimique ont été consolidés par CIC et par SPS et montrent de très bonnes propriétés mécaniques et une excellente jonction entre les deux types de nuances. Par fabrication additive (DED-LB ou PBF-LB), nous obtenons aussi de très bonnes liaisons entre les deux aciers mais les microstructures sont beaucoup plus complexes. On observe curieusement que plus la vitesse de refroidissement du procédé est importante et plus la présence de ferrite dans l’acier martensitique est importante. Différents calculs basés sur la germination et la croissance de la phase austénitique ont permis de proposer un scénario cohérent pour expliquer les fractions de phases présentes dans les matériaux. La zone de transition entre les deux aciers présente, elle, de fortes variations de duretés. Ces variations sont expliquées par les changements de composition chimique, entrainant des modifications dans les températures de changement de phases, et les cycles thermiques particuliers vus lors de la fabrication. D’un point de vue technologique, les matériaux obtenus par fabrication additive présentent en traction des performances très semblables à ce que l’on obtient par soudage par faisceau d’électrons. Il est montré que la fabrication additive permet aussi de piloter le gradient de composition entre un acier martensitique et un acier austénitique.

This PhD work concerns the problem of bimetallic austenitic/martensitic steel connections. This research action focuses on a 316L austenitic steel (X2 CrNiMo 18-12-02) / Fe-9Cr-1Mo (X10 CrMo 9-1) martensitic steel connection. The objective is to understand the metallurgical problems related to the assembly of these two steels and to evaluate the possibilities of using powder metallurgy and additive manufacturing to produce austenitic/martensitic steel transitions. A weld obtained by electron beam is used as a reference for this study which focuses on the interest of powder metallurgy to achieve a transition between two steels. Materials with a chemical composition gradient have been consolidated by HIP and SPS and show very good mechanical properties and an excellent junction between the two steels. By additive manufacturing (DED-LB or PBF-LB), we also obtain very good bonds between the two steels, but the microstructures are much more complex. Curiously, we observe that the higher the cooling rate, the higher the ferrite fraction in the martensitic steel. Different calculations based on the nucleation and growth of the austenitic phase have made it possible to propose a coherent scenario to explain the phase fractions present in the materials. The transition zone between the two steels shows strong variations in hardness. These variations are explained by changes in chemical composition, leading to modifications in phase change temperatures, and the particular thermal cycles seen during building. From a technological point of view, materials obtained by additive manufacturing have tensile performances very similar to those obtained by electron beam welding. It is shown that additive manufacturing also makes it possible to control the composition gradient between a martensitic and an austenitic steel.; Ces travaux de thèse concernent la problématique des liaisons bimétalliques acier austénitique/acier martensitique. Cette action de recherche se focalise sur une liaison acier austénitique 316L (X2 CrNiMo 18-12-02) / acier martensitique Fe-9Cr-1Mo (X10 CrMo 9-1). L’objectif est de comprendre la problématique métallurgique liée à l’assemblage de ces deux types de nuance et d’évaluer les possibilités de réaliser par métallurgie des poudres et par fabrication additive des transitions aciers austénitiques/aciers martensitiques. Une soudure obtenue par faisceau d’électrons sert de liaison de référence pour cette étude qui se focalise sur l’intérêt de la métallurgie des poudres pour réaliser une transition entre deux aciers. Des matériaux à gradient de composition chimique ont été consolidés par CIC et par SPS et montrent de très bonnes propriétés mécaniques et une excellente jonction entre les deux types de nuances. Par fabrication additive (DED-LB ou PBF-LB), nous obtenons aussi de très bonnes liaisons entre les deux aciers mais les microstructures sont beaucoup plus complexes. On observe curieusement que plus la vitesse de refroidissement du procédé est importante et plus la présence de ferrite dans l’acier martensitique est importante. Différents calculs basés sur la germination et la croissance de la phase austénitique ont permis de proposer un scénario cohérent pour expliquer les fractions de phases présentes dans les matériaux. La zone de transition entre les deux aciers présente, elle, de fortes variations de duretés. Ces variations sont expliquées par les changements de composition chimique, entrainant des modifications dans les températures de changement de phases, et les cycles thermiques particuliers vus lors de la fabrication. D’un point de vue technologique, les matériaux obtenus par fabrication additive présentent en traction des performances très semblables à ce que l’on obtient par soudage par faisceau d’électrons. Il est montré que la fabrication additive permet aussi de piloter le gradient de composition entre un acier martensitique et un acier austénitique.

Ultrasonic testing of thick multipass welds in austenitic stainless steel is complex. The propagation of the ultrasonic beam is altered (deviation, splitting, attenuation, ...). To overcome these phenomena, it is necessary to model the propagation of the ultrasonic waves. For this, a description of the macrostructure is required. Since the 2000s, the LMA, EDF and Naval Group have developed the MINA-EE model in order to predict the macrostructure of multipass welds manufactured using the Shielded Metal Arc (SMAW) process. The aim of the thesis work is to develop a new model named MINA-TIG based on the same philosophy as MINA-EE for Tungsten Inert Gas (TIG or GTAW) welds. The particularity of the model is that the phenomenological input parameters are obtained from welding notebook data and measurements performed on beads on plate. The calculation of the directions of the thermal gradient is first established within a pass and then takes into account the multipass effect. The knowledge of the thermal gradient allows the calculation of the grain growth directions, based also on the observations of the macrographs and on the theoretical knowledge of grain growth. The relevance of the model is evaluated in two steps. The intermediate validation, for which we compare on the one hand the real macrostructures to those modelled, and on the other hand the ultrasonic propagation results simulated from the real and modelled macrostructures. Then the final validation, for which we compare the simulated ultrasonic propagation results with the experimental. A good agreement is observed allowing to validate the MINA-TIG 2D model., Le contrôle par ultrasons de soudures multipasses épaisses en acier inoxydable austénitique est complexe. La propagation du faisceau ultrasonore est altérée (déviation, division, atténuation, …). Pour maîtriser ces phénomènes, il est nécessaire de modéliser la propagation des ondes ultrasonores. Pour cela, la description de la macrostructure est requise. Depuis les années 2000, le LMA, EDF et Naval Group ont développé le modèle MINA-EE pour prédire la macrostructure de soudures multipasses fabriquées à l’électrode enrobée (EE). Le travail de thèse consiste à développer un nouveau modèle nommé MINA-TIG basé sur la philosophie de MINA-EE pour les soudures Tungsten Inert Gas (TIG). L'originalité du modèle est que les paramètres d'entrée phénoménologiques sont obtenus à partir des informations du cahier de soudage et de mesures réalisées sur des lignes de soudage. Le calcul des directions du gradient thermique est tout d'abord établi au sein d’une passe puis tient compte de l'effet multipasses. La connaissance du gradient thermique permet de calculer les directions de croissance de grains, basé également sur les observations des macrographies et sur les connaissances théoriques de la croissance des grains. La pertinence du modèle est évaluée en deux étapes. La validation intermédiaire, où nous comparons d’une part les macrostructures réelles à celles modélisées, et d’autre part les résultats de propagation ultrasonore simulés à partir des macrostructures réelles et modélisées. Puis la validation finale, où nous comparons les résultats de propagation ultrasonore simulés aux résultats expérimentaux. Une bonne concordance est observée permettant de valider le modèle MINA-TIG 2D.

The aim of this thesis is to better understand the susceptibility of non-sensitized austenitic stainless steels to intergranular corrosion in a concentrated boiling nitric acid environment containing oxidizing ions. It focuses more specifically on the effect of metallurgical parameters. For this purpose, the corrosion behavior of 6 stainless steels is studied in oxidizing nitric acid, using linear voltammetry and immersion tests. Among the studied stainless steels, one grade (Uranus S1N) is resistant to intergranular corrosion but exhibits a higher surface corrosion rate. This steel differs from the others by its high silicon content (4 wt.%). The effect of silicon of surface and intergranular corrosion is confirmed thanks to the fabrication and study of experimental alloys with silicon contents varying between 1 and 4 wt.%. Among the stainless steels susceptible to intergranular corrosion, all the grain boundaries are attacked, except the majority of the twin boundaries. In addition, a higher chromium content leads to lower surface and intergranular corrosion rates.The chemical compositions of grain boundaries were studied by atomic probe tomography for two stainless steels: 304L and Uranus S1N, susceptible and resistant to intergranular corrosion, respectively. The results evidence intergranular segregation of impurities and carbon in both alloys. The enrichment factors are slightly higher in Uranus S1N than in 304L. However, silicon enrichment of the grain boundaries was evidenced in none of them. The results show that, if impurities have an effect on the susceptibility to intergranular corrosion, the effect seems inhibited by a high amount of silicon. Based on these results, several propositions are made to account for the susceptibility to intergranular corrosion of austenitic stainless steels in oxidizing nitric acid.; L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension du phénomène de corrosion intergranulaire d’aciers inoxydables austénitiques en milieu acide nitrique bouillant concentré et contenant des ions oxydants. L’accent est plus particulièrement mis sur l’étude de facteurs métallurgiques. Pour cela, le comportement en corrosion en milieu nitrique oxydant de 6 aciers inoxydables austénitiques commerciaux a été étudié par voltammétrie linéaire ainsi que par des essais d’immersion. Parmi les aciers étudiés, l’un d’entre eux, l’Uranus S1N, n’est pas sensible à la corrosion intergranulaire mais présente une cinétique de corrosion en surface plus rapide. Cet acier diffère des autres nuances par sa teneur en silicium élevée (4% massique). L’effet du silicium sur la corrosion en surface et la sensibilité à la corrosion intergranulaire est confirmé par l’élaboration d’aciers expérimentaux, contenant des teneurs en silicium comprises entre 1 et 4%. Parmi les aciers sensibles à la corrosion intergranulaire, tous les joints de grains sont attaqués, à l’exception de la majorité des joints Σ3. Une augmentation de la teneur en chrome conduit à une diminution de la vitesse de corrosion en surface et aux joints de grains. L’étude de la composition chimique de joints de grains par sonde atomique tomographique a permis de mettre en évidence la ségrégation intergranulaire des impuretés mais aussi du carbone, que ce soit dans un acier sensible ou insensible à la corrosion intergranulaire. Par contre, aucun enrichissement des joints en silicium par rapport à la matrice environnante n’a pu être détecté, quel que soit l’acier étudié. Les facteurs d’enrichissement estimés pour divers éléments sont globalement plus élevés dans l’Uranus S1N que dans un acier 304L, sensible à la corrosion intergranulaire. Cependant, les joints de grains de l’acier 304L sont plus riches en éléments légers que ceux de l’acier Uranus S1N mais plus pauvres en silicium, en accord avec leurs compositions chimiques nominales. Si les impuretés ont un effet sur la corrosion intergranulaire, cet effet semble inhibé par une teneur en silicium élevée dans l’acier. Sur la base des résultats obtenus, plusieurs pistes ont été proposées pour rendre compte de la sensibilité à la corrosion intergranulaire des aciers inoxydables austénitiques.

The aim of this thesis is to better understand the susceptibility of non-sensitized austenitic stainless steels to intergranular corrosion in a concentrated boiling nitric acid environment containing oxidizing ions. It focuses more specifically on the effect of metallurgical parameters. For this purpose, the corrosion behavior of 6 stainless steels is studied in oxidizing nitric acid, using linear voltammetry and immersion tests. Among the studied stainless steels, one grade (Uranus S1N) is resistant to intergranular corrosion but exhibits a higher surface corrosion rate. This steel differs from the others by its high silicon content (4 wt.%). The effect of silicon of surface and intergranular corrosion is confirmed thanks to the fabrication and study of experimental alloys with silicon contents varying between 1 and 4 wt.%. Among the stainless steels susceptible to intergranular corrosion, all the grain boundaries are attacked, except the majority of the twin boundaries. In addition, a higher chromium content leads to lower surface and intergranular corrosion rates.The chemical compositions of grain boundaries were studied by atomic probe tomography for two stainless steels: 304L and Uranus S1N, susceptible and resistant to intergranular corrosion, respectively. The results evidence intergranular segregation of impurities and carbon in both alloys. The enrichment factors are slightly higher in Uranus S1N than in 304L. However, silicon enrichment of the grain boundaries was evidenced in none of them. The results show that, if impurities have an effect on the susceptibility to intergranular corrosion, the effect seems inhibited by a high amount of silicon. Based on these results, several propositions are made to account for the susceptibility to intergranular corrosion of austenitic stainless steels in oxidizing nitric acid.; L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension du phénomène de corrosion intergranulaire d’aciers inoxydables austénitiques en milieu acide nitrique bouillant concentré et contenant des ions oxydants. L’accent est plus particulièrement mis sur l’étude de facteurs métallurgiques. Pour cela, le comportement en corrosion en milieu nitrique oxydant de 6 aciers inoxydables austénitiques commerciaux a été étudié par voltammétrie linéaire ainsi que par des essais d’immersion. Parmi les aciers étudiés, l’un d’entre eux, l’Uranus S1N, n’est pas sensible à la corrosion intergranulaire mais présente une cinétique de corrosion en surface plus rapide. Cet acier diffère des autres nuances par sa teneur en silicium élevée (4% massique). L’effet du silicium sur la corrosion en surface et la sensibilité à la corrosion intergranulaire est confirmé par l’élaboration d’aciers expérimentaux, contenant des teneurs en silicium comprises entre 1 et 4%. Parmi les aciers sensibles à la corrosion intergranulaire, tous les joints de grains sont attaqués, à l’exception de la majorité des joints Σ3. Une augmentation de la teneur en chrome conduit à une diminution de la vitesse de corrosion en surface et aux joints de grains. L’étude de la composition chimique de joints de grains par sonde atomique tomographique a permis de mettre en évidence la ségrégation intergranulaire des impuretés mais aussi du carbone, que ce soit dans un acier sensible ou insensible à la corrosion intergranulaire. Par contre, aucun enrichissement des joints en silicium par rapport à la matrice environnante n’a pu être détecté, quel que soit l’acier étudié. Les facteurs d’enrichissement estimés pour divers éléments sont globalement plus élevés dans l’Uranus S1N que dans un acier 304L, sensible à la corrosion intergranulaire. Cependant, les joints de grains de l’acier 304L sont plus riches en éléments légers que ceux de l’acier Uranus S1N mais plus pauvres en silicium, en accord avec leurs compositions chimiques nominales. Si les impuretés ont un effet sur la corrosion intergranulaire, cet effet semble inhibé par une teneur en silicium élevée dans l’acier. Sur la base des résultats obtenus, plusieurs pistes ont été proposées pour rendre compte de la sensibilité à la corrosion intergranulaire des aciers inoxydables austénitiques.

Wire-arc additive manufacturing is a new process using a common weldingrobotic cell to build large parts layer by layer. It allows building rough single pieces orsmall series parts with a low cost and a short delay. First developments were done ontitanium and aluminum parts for aeronautic and space applications, but more industriessuch as maritime, oil and gas, railway…are now interested into it. In this work, amethodology is proposed to define suitable process parameters and deposit’s strategies,with the final control of the elaborated parts. Developments are done on both highstrength steel ER100 and austenitic stainless steel 316LSi. The results of theexperimental characterisation enable to show the relations between the manufacturingconditions, the dimensions, the microstructure and the mechanicals properties of theparts, and finally lead to guidelines to evolve the wire-arc additive manufacturingtowards industrialisation.; L'arc-fil est un nouveau procédé de fabrication additive utilisant une cellule desoudage robotisée pour la fabrication, couche par couche, de pièces de grandes dimensions. Ilpermet de réaliser des ébauches de pièces unitaires ou de petites séries avec des coûts et desdélais de fabrication réduits. Les premiers développements se sont principalement orientés sur laréalisation de pièces à forte valeur ajoutée en alliage de titane et d’aluminium pour le secteuraéronautique et aérospatial, et intéressent maintenant d’autres secteurs tels que les industriesnavales, pétrolières, ferroviaires et mécaniques utilisant des aciers. Ce travail propose uneméthodologie de sélection des paramètres et des stratégies de dépôts, avec le contrôle final despièces fabriquées. Il porte sur deux matériaux : un acier C-Mn à haute limite d’élasticité(ER100) et un acier inoxydable austénitique (316LSi). Le résultat des caractérisations permetd’établir le lien entre les conditions de fabrication, les dimensions géométriques et les propriétésmicrostructurales et mécaniques des pièces obtenues, ce qui conduit au final à une démarchepermettant de faire évoluer le procédé vers l’industrialisation.

Wire-arc additive manufacturing is a new process using a common weldingrobotic cell to build large parts layer by layer. It allows building rough single pieces orsmall series parts with a low cost and a short delay. First developments were done ontitanium and aluminum parts for aeronautic and space applications, but more industriessuch as maritime, oil and gas, railway…are now interested into it. In this work, amethodology is proposed to define suitable process parameters and deposit’s strategies,with the final control of the elaborated parts. Developments are done on both highstrength steel ER100 and austenitic stainless steel 316LSi. The results of theexperimental characterisation enable to show the relations between the manufacturingconditions, the dimensions, the microstructure and the mechanicals properties of theparts, and finally lead to guidelines to evolve the wire-arc additive manufacturingtowards industrialisation.; L'arc-fil est un nouveau procédé de fabrication additive utilisant une cellule desoudage robotisée pour la fabrication, couche par couche, de pièces de grandes dimensions. Ilpermet de réaliser des ébauches de pièces unitaires ou de petites séries avec des coûts et desdélais de fabrication réduits. Les premiers développements se sont principalement orientés sur laréalisation de pièces à forte valeur ajoutée en alliage de titane et d’aluminium pour le secteuraéronautique et aérospatial, et intéressent maintenant d’autres secteurs tels que les industriesnavales, pétrolières, ferroviaires et mécaniques utilisant des aciers. Ce travail propose uneméthodologie de sélection des paramètres et des stratégies de dépôts, avec le contrôle final despièces fabriquées. Il porte sur deux matériaux : un acier C-Mn à haute limite d’élasticité(ER100) et un acier inoxydable austénitique (316LSi). Le résultat des caractérisations permetd’établir le lien entre les conditions de fabrication, les dimensions géométriques et les propriétésmicrostructurales et mécaniques des pièces obtenues, ce qui conduit au final à une démarchepermettant de faire évoluer le procédé vers l’industrialisation.

The lifetime extension of the nuclear power plants is considered as a major energy challenge. For this reason, the risk analysis and the study of various effects of different factors that could potentially represent a hazard to a safe long term operation are necessary. These structures, often of large dimensions, are subjected during their life to complex loading combining varying mechanical and multiaxial loads, with non-zero mean values associated with temperature fluctuations and Pressurized Water Reactor (PWR) environment.In this context, the present study is part of the identification of the PWR environment effect and the equibiaxiality of the loading on the fatigue life of the austenitic stainless steels present in the primary pipes of a Pressure Water Reactor.For this purpose, the CEA has developed, in partnership with EDF and FRAMATOME, the experimental device «FABIME2e» for studying the equibiaxial fatigue in the PWR environment.First, a presentation of the experimental and numerical results obtained with the FABIME2e device is realized. These results show the aggravating effect of equibiaxial loading and environmental PWR conditions on the fatigue life of austenitic stainless steel. This effect remains covered by the Design curve defined by the design codes of the nuclear industry. Second, a new fatigue criterion is proposed to predict the lifetime in equibiaxial fatigue. This criterion takes into account the effect of the PWR environment.This work opens up several industrial and scientific prospects on the mechanical inter-pretation of equibiaxial fatigue tests in PWR environment and on the proposed fatigue criterion., L'extension de la durée de vie des centrales nucléaires est considérée comme un défi énergétique mondial. C’est pourquoi il est nécessaire d’analyser les risques et d’étudier les effets de différents facteurs susceptibles de présenter un risque pour une exploitation sûre à long terme. Ces structures, souvent de grandes dimensions, sont soumises au cours de leurs vies à des chargements complexes combinant des sollicitations mécaniques variées, multiaxiales, avec des valeurs moyennes non nulles associées à des fluctuations de température dans un environnement agressif comme celui de circuit primaire de Réacteur à Eau Pressurisée (REP). Dans ce contexte, la présente étude est inscrite dans le cadre de l’identification de l’effet du milieu REP et de l’équibiaxialité du chargement sur la durée de vie en fatigue des aciers inoxydables austénitiques présents dans les tuyauteries primaires d’un Réacteur à Eau Pressurisée.Pour cela, le CEA a développé, en collaboration avec EDF et FRAMATOME, le dispositif expérimental «FABIME2e» destiné à l’étude de la fatigue équibiaxiale dans le milieu REP.Dans un premier temps, une présentation des résultats expérimentaux et numériques obtenus avec le dispositif FABIME2e est réalisée. Ces résultats montrent l’effet aggravant de l’équibiaxialité du chargement et des conditions REP de l’environnement sur la durée de vie en fatigue des aciers inoxydables austénitiques. Cependant cet effet aggravant reste couvert par la courbe de Design définie par les codes de conception de l’industrie nucléaire. Un nouveau critère de fatigue est ensuite proposé pour prédire la durée de vie en fatigue équibiaxiale tout en prenant en compte l’effet d’environnement REP.Ce travail ouvre plusieurs perspectives industrielles et scientifiques sur l'interprétation mécanique des essais de fatigue équibiaxiale dans l’environnement REP et sur le critère de fatigue proposé.

This work is focused on the elaboration and the mechanical behaviour of 304L and 316L austenitic stainless steel alloys with bimodal grain size distribution. The complementary approach between experiments and modelling enables a better understanding of both macroscopic and local mechanical responses and also of the associated deformation mechanisms.The use of two elaboration routes and optimized process parameters results in a wide range of samples with different bimodal grain size distributions. Grain sizes and fractions of each population are modified in order to study the influence of these microstructural characteristics on mechanical behavior. Uniaxial tensile tests are used to realize a database of mechanical properties of bimodal alloys and loading-unloading tests provides valuable informations about deformation mechanisms in these materials. With coarse grains (CG) embedded in an ultrafine grained (UFG) matrix, a relaxation of a part of the internal stresses seems to take place and leads to a delayed embrittlement of bimodal alloys as compared to their unimodal counterparts. Full-field modelling, based on two crystal plasticity laws with an explicit account of an internal length, is proposed. It constitutes a valuable prediction tool of effective properties of bimodal alloys in order, in particular, to study the effect of several microstructural characteristics. An access to local fields is also possible and tend, so far, to show similar results compared to experimental ones : stress relaxation is observed in the UFG matrix as well as stress concentrations at the CG/UFG interfaces., Ce travail porte sur l'élaboration et l'analyse du comportement mécanique d'alliages à distribution bimodale de taille de grains. Les applications concernent les aciers inoxydables austénitiques 304L et 316L. Une approche couplée expérience-modélisation est menée pour comprendre les réponses mécaniques macroscopiques et locales de ces nouveaux alliages en se basant notamment sur l'étude des mécanismes de déformation associés. L'utilisation de deux voies d'élaboration et l'optimisation de leurs paramètres a conduit à l'obtention d'un large choix d'échantillons avec différentes distributions bimodales et différentes proportions de chaque famille de taille de grains. L'influence de ces caractéristiques microstructurales sur le comportement a été analysée sur la base d'essais en traction simple sous chargement monotone ou en charges-décharges alternées. Une base de données étendue de propriétés a ainsi été constituée et des éléments de réponse concernant les mécanismes de déformation propres aux alliages bimodaux ont pu être apportés. La présence de grains de taille conventionnelle (Coarse Grain -CG) au sein d'une matrice à grains ultrafins (UltraFine Grain - UFG) semble favoriser la relaxation d'une partie des contraintes internes de la matrice et tend ainsi à retarder l'endommagement des alliages bimodaux en comparaison aux alliages unimodaux à grains ultrafins. Une modélisation à champs complets selon deux lois de plasticité cristalline tenant compte explicitement d'une longueur interne a été proposée. Sa première motivation est de fournir un outil de prédiction du comportement effectif des alliages bimodaux en fonction de leurs caractéristiques microstructurales. Elle donne par ailleurs accès aux champs locaux et permet d'appuyer les analyses expérimentales en partition des contraintes en montrant à la fois une relaxation partielle des contraintes dans la matrice UFG mais aussi des concentrations de contrainte aux interfaces CG/UFG.

This work aims at highlighting the impact of the SMA process (Surface Mechanical Attrition Treatment) on the oxidation resistance of steels of type AISI 316L. This study compares the composition and morphology of the oxide layers, the oxidation kinetics, the growth mechanisms and the residual stresses on the surface of treated and oxidized samples at different temperatures. These observations show a beneficial effect of the SMA process on the oxidation resistance of the 316L steel for high temperatures. Indeed, the oxidation kinetics of the treated samples is shown to be related to a preferential growth of chromia starting at 700°C. This led us to conclude that the SMAT used on the 316L reverses the main oxide phase, inhibiting the growth of the hematite and promoting the chromia. An oxidation scenario for untreated and SMATed steel samples is proposed, demonstrating the role of the density of the grain boundaries introduced by the mechanical treatment. During this work, a comprehensive numerical chaining process is proposed. It takes into account the process parameters and mechanical properties of the material, in order to predict the characteristics of the nanostructure generated by SMAT, that could influence the oxidation of this stainless steel at high temperatures, Ce travail a permis de mettre en évidence l’impact du procédé SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) sur la résistance à l’oxydation des aciers de type AISI 316L. Cette étude a permis de comparer la composition et la morphologie des couches d’oxydes, la cinétique d'oxydation, les mécanismes de croissance et les contraintes résiduelles sur les surfaces des pièces traitées et oxydées à différentes températures. Ces observations ont montré l’existence d’un effet bénéfique du SMAT sur la résistance à l’oxydation de l’acier 316L pour des hautes températures. En effet, la cinétique d’oxydation des échantillons traités semble être reliée à une croissance préférentielle de chromine dès 700°C. Ceci nous a amenés à conclure que le procédé SMAT utilisé sur le 316L inverse la phase d’oxyde majoritaire, en inhibant la croissance de l’hématite et en favorisant celle de la chromine. Un scénario d’oxydation pour l’acier brut et Smaté a ainsi été proposé et le rôle de la densité des joints de grains introduits par le traitement a été explicité. Pendant ce travail, il a également été proposé un chaînage numérique complet qui prendrait en compte les paramètres du procédé et les propriétés mécaniques du matériau, afin de prévoir les caractéristiques de la nanostructure générée suite au traitement SMAT, en lien possible avec son influence sur l’oxydation à hautes températures

This study focuses on the characterization of plastic fatigue damage process of an austenitic stainless steel. The aim is to clarify the nature and proportions of the different stages of damage in the life of the material. Interrupted fatigue tests were established to monitor the evolution of the damage and to propose a description. At each stop, surface observations were performed for different amplitudes total strain. These observations have been completed by monitoring acoustic emission. Fatigue tests under constants amplitudes loading highlight three stages of damage. A model was proposed and compared to results obtained in fatigue under variables amplitudes loading., Cette étude porte sur la caractérisation des processus d’endommagement en fatigue plastique d’un acier inoxydable austénitique. L’objectif est de préciser la nature et la part respective des différents stades d’endommagement dans la durée de vie du matériau. Des essais de fatigue oligocyclique, interrompus, ont été mis en place afin de suivre l’évolution de l’endommagement et d’en proposer une description. A chaque arrêt, des observations en surface, pour les différentes amplitudes de déformations totales imposées ont été réalisées. Ces observations ont été complétées par un suivi par émission acoustique. Les essais de fatigue sous chargement à amplitude constante mettent en évidence trois stades d’endommagement. Une modélisation a été proposée puis confrontée aux résultats obtenus en fatigue sous chargement à amplitude variable.

Coupled mechanical and thermochemical surface treatments have been the subject of much research effort in recent years. The goal of such a coupling is to improve diffusion kinetics leading to increased penetration depths, and/or to decrease the treatment temperature for mechanically pretreated materials. In this work, SMAT (Surface Mechanical Attrittion Treatment), used to refine the grain size by severe plastic deformation, is combined with plasma nitriding of a 316L medical-grade stainless steel. This duplex process significantly improves nitrogen diffusion. An intermediate treatment between SMAT and plasma nitriding is also proposed and its significant effect on the nitrogen diffusion is demonstrated. Comparisons between nitrided-only samples and duplex-treated samples have shown up to 60% increase of the nitrided layer thickness. In order to better understand the link between the generated microstructures and the mechanical fatigue and tribological responses, the samples have been characterised by many different techniques. Also, a multiscale numerical model of the diffusion process is proposed in order to simulate the nitrogen concentration profiles after duplex treatment. The simulated and experimental profiles correspond rather well; Le couplage des traitements de surface mécaniques et thermochimiques a fait l’objet de nombreuses études ces dernières années. L’objectif d’un tel couplage est l’amélioration des cinétiques de diffusion d’espèces chimiques résultant en une augmentation des profondeurs de diffusion, et/ou une diminution de la température du traitement thermochimique sur les matériaux prétraités mécaniquement. Dans cette thèse, le procédé SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) de nanocristallisation superficiel par déformation plastique sévère a été combiné avec la nitruration plasma sur un acier inoxydable 316L de qualité médicale. Ce procédé duplex permet une amélioration notable sur la capacité de diffusion de l’azote sous la surface de l’acier SMATé. Une étape intermédiaire entre le SMAT et la nitruration plasma a été proposée ; son rôle significatif pour la diffusion de l’azote a été démontré. Ainsi, la comparaison des résultats obtenus après la nitruration plasma sur les échantillons SMATés avec ceux uniquement nitrurés a permis de constater une augmentation jusqu’à 60% de l’épaisseur des couches nitrurées. Par ailleurs, de nombreux moyens de caractérisation ont été mis en œuvre à travers divers essais mécaniques de fatigue et de tribologie. Un modèle numérique multi-échelle de diffusion a également été développé pour simuler les profils de concentration d’azote après traitement duplex. Les profils de concentration d’azote simulés sont en bon accord avec les résultats expérimentaux

Some cases of cracking of 304L austenitic stainless steel components due to thermal fatigue were encountered in particular on the Residual Heat Removal Circuits (RHR) of the Pressurized Water Reactor (PWR). EDF has initiated a R&D program to understand assess the risks of damage on nuclear plant mixing zones. The INTHERPOL test developed at EDF is designed in order to perform pure thermal fatigue test on tubular specimen under monofrequential thermal load. These tests are carried out under various loadings, surface finish qualities and welding in order to give an account of these parameters on crack initiation. The main topic of this study is the research of a fatigue criterion using a micro:macro modelling approach. The first part of work deals with material characterization (stainless steel 304L) emphasing the specificities of the surface roughness link with a strong hardening gradient. The first results of the characterization on the surface show a strong work-hardening gradient on a 250 microns layer. This gradient does not evolved after thermal cycling. Micro hardness measurements and TEM observations were intensively used to characterize this gradient. The second part is the macroscopic modelling of INTHERPOL tests in order to determine the components of the stress and strain tensors due to thermal cycling. The third part of work is thus to evaluate the effect of surface roughness and hardening gradient using a calculation on a finer scale. This simulation is based on the variation of dislocation density. A goal for the future is the detemination of the fatigu criterion mainly based on polycrystalline modelling. Stocked energy or critical plane being available that allows making a sound choice for the criteria.; Quelques cas de fissurations de composants en acier inoxydable austénitique 304L dus à un phénomène de fatigue thermique ont été recensés, en particulier sur les circuits de Refroidissement du Réacteur à l'Arrêt (RRA) des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). EDF a lancé un programme de R&D afin de comprendre et d'évaluer les risques de dommages dans ces circuits. Le test développé à EDF, INTHERPOL, est un essai de fatigue thermique de type structure sur maquette tubulaire et soumis à un chargement périodique. Ces essais sont réalisés sous différents niveaux de chargement, états de surface et soudures afin de rendre compte de ces paramètres sur l'amorçage des fissures. L'objectif de cette étude est de définir une méthodologie permettant la justification d'un critère de fatigue tenant compte de l'influence de l'état de surface, à l'aide d'une approche multi-échelle. La première partie du travail consiste à caractériser le matériau (304L) et particulièrement sa surface. Les premiers résultats de la caractérisation de la surface montrent un fort gradient d'écrouissage initial du matériau sur 250 microns en profondeur. Ce gradient n'évolue pas avec le cyclage thermique. Pour cette caractérisation, des mesures de microduretéet des observations de la microstructure (MET) ont été réalisées. La deuxième partie est la modélisation macroscopique des essais INTHERPOL permettant de déterminer les champs de contrainte et déformation issus des cycles thermiques. La troisième partie du travail consiste ensuite à évaluer l'effet de la rugosité de surface et du gradient d'écrouissage à échelle plus fine à l'aide d'une modélisation à l'échelle du polycristal, basée sur la variation des densités de dislocations. Un objectif pour l'avenir est d'aider, par ces modélisations polycristallines, au choix de critères de fatigue prenant en compte l'influence de l'état de surface (critères énergétiques ou de types plan critique par exemple).

A valve is a complex part obtained today by hot forming from a steel bar. This research work was the occasion to study the feasibility of exhaust valve cold forming. Two main objectives : saving thermal energy and produce a near net shape part. Two problems to solve : limited material ductility and higher mechanical solicitation of the forging tools. Exhaust valves are usually in austenitic stainless steel and for some specific applications in Nickel base superalloy with higher characteristics but with a dissuasive cost. Between these two families, there are the Iron base superalloys with mean characteristics and costs. We will begin by a brief presentation of the project objectives and the state of the art. Then, from the existing alloy characterisation, we have developed new alloys obtained using the Cemef Custom Casting Platform (C3P). We have shown that these new alloys are able to be cold formed in valves. The forming process study permit to show the crack apparition risk and to study the influence of the process parameters. Finally, a micro scale simulation has shown the ductile rupture initiation.; Une soupape est une pièce complexe, aujourd'hui obtenue par mise en forme à chaud à partir d'une barre ou d'un fil. Dans un contexte concurrentiel de plus en plus sévère, les industriels du domaine sont à la recherche de la moindre économie. Ce travail de recherche à permis d'étudier la faisabilité de la mise en forme à froid de soupapes d'échappement. Deux objectifs à ce nouveau procédé : une économie d'énergie thermique conséquente et un état de livraison near net shape. Deux obstacles à surmonter : une ductilité de la matière limitée et une sollicitation mécanique des outillages plus importante. Les soupapes d'échappement courantes sont en acier inoxydable austénitique, mais certaines applications niches ont amené à utiliser des superalliages base nickel à plus hautes caractéristiques, dont le coût matière reste cependant trop élevé pour se démocratiser. Entre les deux se situent les superalliages base fer aux caractéristiques et au coût matière intermédiaires. L'exposé débutera par un bref rappel des enjeux du projet et de une présentation de l'état de l'art. A partir de la caractérisation des nuances existantes, de nouvelles nuances ont été développées et obtenues via le plateau de fusion et coulée C3P du Cemef. Les essais menés sur ces nouvelles nuances ont mis en évidence la possibilité d'obtenir des soupapes mises en forme à froid. En parallèle, l'étude du procédé de mise en forme a permis de mettre en évidence les risques d'apparition de rupture, et d'étudier l'influence des paramètres du procédé sur les risques d'apparition de rupture. Une simulation à l'échelle micro a enfin permis de mettre en évidence la source de la rupture ductile.

Ultrasonic propagation simulation in anisotropic and heterogeneous media is essential for nondestructive testing by ultrasounds of multipass austenitic stainless steel welds that are specific of piping in nuclear power stations. Scattering at grain boundaries leads to a strong attenuation as a function of grain orientation. Attenuation measurement is complex. The implemented technique allows taking into account the physical reality of the beams and the material anisotropy. Ultrasonic propagation through the samples is modeled with transmission coefficients calculated with any incidence on a triclinic material. This method results in an increase of the attenuation versus grain orientation. For the first time, measured attenuation coefficients are integrated into a simulation code that validated them by comparison with experience., La simulation de la propagation ultrasonore est un enjeu important du contrôle non destructif des soudures multipasses en acier inoxydable austénitique, spécifiques des tuyauteries de centrale nucléaire. Ces soudures anisotropes hétérogènes causent une diffusion des ultrasons aux joints de grains entraînant une forte atténuation, fonction de l’orientation des grains. La mesure de cette atténuation est complexe. La méthode mise en œuvre permet de prendre en compte la réalité physique des faisceaux et l’anisotropie du matériau. La propagation ultrasonore à travers les échantillons est modélisée à l’aide des coefficients de transmission calculés en incidence quelconque sur un matériau triclinique. Cette méthode permet d’aboutir à une atténuation croissante en fonction de l’orientation des grains. Pour la première fois, les coefficients d’atténuation mesurés ont été intégrés à un code de simulation qui a permis leur validation par la comparaison avec l’expérience.

This study has shown the effect of strain hardening and strain rate on the Stress Corrosion Cracking (CSC) of austenitic stainless steel AISI 304L in nominal PWR environment. A significant part of the study was focused on the conditions leading to intergranular SCC. The initiation of SCC requires that strain hardening exceeds a threshold value (310 HV0,1). Crack propagation has only been observed when a plastic strain rate was imposed at the crack-tip, in a sufficiently strain hardened material. This is related to the absence of creep in this material at 360°C. Stress corrosion cracks can follow different paths : transgranular when the material has not been pre-strained, mixed/intergranular when the material has been strained following a complex path. Observations revealed the role of the obstacles to dislocations glide on the cracking mechanims., Ce travail a mis en évidence les effets de l’écrouissage et de la vitesse de déformation plastique sur la fissuration par Corrosion Sous Contrainte (CSC) en milieu primaire nominal REP (réducteur) de l’acier inoxydable austénitique AISI 304L. Une vaste part de l’étude aconsisté à rechercher les conditions conduisant en particulier à la CSC intergranulaire. L’amorçage de la CSC nécessite le dépassement d’un seuil d’écrouissage (310 HV0,1). La propagation d’une fissure n’est observée que lorsqu’une vitesse de déformation plastique estimposée en fond de fissure, dans un matériau suffisamment écroui. Ce phénomène peut s’expliquer par l’absence de fluage à 360°C. Les fissures de CSC peuvent suivre différents chemins : transgranulaire lorsque le matériau n’a pas été pré-écroui, mixte/intergranulairelorsque le matériau est déformé suivant un trajet complexe. Les observations ont mis en évidence le rôle des obstacles au glissement des dislocations dans le matériau sur le mécanisme de CSC.

Not available, Afin d'améliorer les propriétés mécaniques et maintenir la résistance en corrosion des aciers austénitiques du type aisi 310, 316l et 304, des couches sont réalisées par nitruration ionique a basse température (

Not available, Afin d'améliorer les propriétés mécaniques et maintenir la résistance en corrosion des aciers austénitiques du type aisi 310, 316l et 304, des couches sont réalisées par nitruration ionique a basse température (

Not available, Ce travail concerne le développement des microstructures et des microségrégations lors de la solidification des aciers inoxydables. On s'est intéressé à l'influence de la vitesse de solidification et de la teneur en carbone de l'alliage. Les alliages étudiés sont des alliages Fe-Ni-Cr, avec et sans carbone, dont la teneur en éléments mineurs tels que le mn et si a été maintenue à un niveau constant assez bas. La technique de solidification dirigée avec trempe a été retenue pour réaliser des échantillons dans des conditions de solidification parfaitement contrôlables. Sur ces échantillons ont été effectuées des analyses métallographiques et chimiques. Les phases précipitées et la redistribution des solutés dans les phases solide et liquide en cours de solidification ont été analysées quantitativement à la microsonde électronique de CASTAING. L'analyse d'image a été employée pour évaluer la cinétique de solidification. L'étude des équilibres de phases entre solidus et liquidus par analyse thermique différentielle a permis de préciser les températures de liquidus et les domaines de composition chimique pour lesquels le solide stable au liquidus est la ferrite ou l'austénite . Certains alliages, correspondant a une précipitation primaire de ferrite, et dont la composition est proche de la ligne eutectique, présentent une solidification en austénite primaire en solidification dirigée lorsque la vitesse de solidification est importante. Cette modification de la nature du premier solide dépose à partir du liquide (changement de en ) a été étudiée en termes de compétition de croissance entre les phases et suivant les conditions de solidification

Not available, Ce travail concerne le développement des microstructures et des microségrégations lors de la solidification des aciers inoxydables. On s'est intéressé à l'influence de la vitesse de solidification et de la teneur en carbone de l'alliage. Les alliages étudiés sont des alliages Fe-Ni-Cr, avec et sans carbone, dont la teneur en éléments mineurs tels que le mn et si a été maintenue à un niveau constant assez bas. La technique de solidification dirigée avec trempe a été retenue pour réaliser des échantillons dans des conditions de solidification parfaitement contrôlables. Sur ces échantillons ont été effectuées des analyses métallographiques et chimiques. Les phases précipitées et la redistribution des solutés dans les phases solide et liquide en cours de solidification ont été analysées quantitativement à la microsonde électronique de CASTAING. L'analyse d'image a été employée pour évaluer la cinétique de solidification. L'étude des équilibres de phases entre solidus et liquidus par analyse thermique différentielle a permis de préciser les températures de liquidus et les domaines de composition chimique pour lesquels le solide stable au liquidus est la ferrite ou l'austénite . Certains alliages, correspondant a une précipitation primaire de ferrite, et dont la composition est proche de la ligne eutectique, présentent une solidification en austénite primaire en solidification dirigée lorsque la vitesse de solidification est importante. Cette modification de la nature du premier solide dépose à partir du liquide (changement de en ) a été étudiée en termes de compétition de croissance entre les phases et suivant les conditions de solidification

Ce document fait la synthèse des développements réalisés sur les lois de comportement viscoplastiques basées sur le concept de variables internes. Les effets supplémentaires d'écrouissage : mémoire de la déformation plastique, restauration, vieillissement, sont discutés sur la base de résultats expérimentaux. Les différentes variables et les lois d'évolutions associées, justifiées par les expériences existantes mais également par des considérations microstructurales, sont introduites séparément. On donne enfin, une application de ces modèles, au cas d'un acier inoxydable à haute température.

Le but du present article est d'effectuer un tour d'horizon sur les lois de comportement viscoplastique a variables internes developpees en France au sein du GRECO « Grandes deformations et endommagement » et du GIS « Rupture a chaud ». On illustre, a l'aide de deux exemples d'alliages industriels (Inoxydable austenitique 17-12 SPH et Inconel 718), les comportements parfois complexes a modeliser. Cinq approches, d'origines differentes sont abordees, a savoir : deux unifiees, une partitionnee et deux approches multicouches (serie et parallele). On rappelle succinctement le cadre thermodynamique d'evolution de ces modeles qui conduit a la definition des differentes variables internes a partir des potentiels thermodynamiques (energie libre ψ) et dissipatifs (f et/ou Ω). Chaque modele est insere dans ce contexte. Ainsi, pour l'ensemble de ces modeles, deux types de variables sont envisages ; des variables cinematiques tensorielles d'ordre deux et des variables scalaires (isotropes). On montre comment l'analyse d'experiences bien reflechies conduit a de nombreuses informations quant a la nature, la forme et l'identification des differentes fonctionnelles representant le comportement (par exemple quant au choix de Ω et de l'eventuelle presence des termes de restauration intrinsequement lies au temps). D'une facon non exhaustive, on presente quelques-unes des possibilites offertes par ces modeles. On conclut avec un paragraphe consacre aux developpements futurs de ces approches, particulierement dans le domaine des temperatures ou les interactions dislocations-defauts ponctuels sont efficaces et pour le vaste champ des essais multiaxes hors phase.