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Ferritic / Martensitic steels (F/M) and ODS steels are candidates as structural and cladding materials for future generations of reactors (GEN IV & Fusion). Indeed, these alloys have very good mechanical properties and corrosion resistance. However, under irradiation, materials are subjected to a flux of defects which promote Irradiation-Induced Segregation (IIS) at sinks. This non-equilibrium segregation change the local composition of the material around sinks, such as grain boundaries. This modification of the composition will have drastic effects on materials properties. Many parameters related to the material as well as the irradiation conditions can influence IIS. This study focused on the effect of grain boundaries structure on IIS in a Fe-Cr model alloy. The aim is to quantify the effects of grain boundary structure on IIS in a Fe-13at.%Cr alloy. The first step was to set up an experimental processin order to be able to characterize a grain boundary using atom probe tomography (APT). The grain boundary need to be fully characterized according to its five degrees of freedom (5 DoF) using electron diffraction techniques EBSD / TKD. Analyzes are performed before and after irradiation in order to dissociate IIS from the equilibrium segregation on grain boundaries. Finally, to improve the representativeness of the results, each analyze was doubled or tripled. To reach an enrichment of chromium at grain boundaries, ions irradiation have been conducted with Fe5 + ions, at 450 °C, and at low damage rate (6.10-5 dpa.s-1 ).. Effects of grain boundaries structure on IIS have been shown by APT analyzes in a Fe-13%Cr alloy. Different kind of grain boundaries structure have been test for a dose of 2 dpa. Effects of grain boundaries plans orientation have been quantify on APT in two different Σ3 (60° ) coincidence grain boundaries. A W-shape composition profile is systematically observed on Cr profiles made across grain boundaries. This chromium segregation is paired to a carbon segregation that lead to heterogeneous segregation / precipitation in the plane of the grain boundaries. These precipitates rich in chromium and carbon are likely to be the first step of carbide formation. Monte Carlo simulations (AKMC) can reproduce IIS phenomenon on a Fe-Cr alloy under the same irradiation conditions as explored experimentally in this study. Grain boundary structure, sinks density and ballistic effects have been prove qualitatively by these simulations. However, chromium W-shape composition profile can’t be obtain with this binary Fe-Cr simulation. This supports the hypothesis that carbon plays an important role in the formation of this atypical profile.; Les aciers Ferritiques/Martensitiques (F/M) ainsi que leurs homologues, renforcés par des particules d’oxydes (ODS), sont envisagés comme matériaux de structure et de grainage pour les futures générations de réacteurs (GEN IV & Fusion). En effet, ces alliages ont une très bonne résistance mécanique ainsi qu’à la corrosion. Toutefois, sous irradiation, ils sont soumis à un flux de défauts qui engendre une ségrégation induite par l’irradiation (SII). Cette ségrégation hors équilibre a pour effet de changer la composition locale du matériau aux abords des puits de défauts, tels que les joints de grains. Cette modification de la composition altère la réponse du matériau face aux différentes sollicitations auquel il est soumis en fonctionnement. La SII peut être influencée par de nombreux paramètres liés au matériau ainsi qu’aux conditions d’irradiation. Cette étude s’est concentrée sur l’un de ces paramètres : la structure des joints de grains. L’objectif est de quantifier les effets de la structure des joints de grains sur la SII dans un alliage modèle Fe-13%Cr. Dans un premier temps, un protocole expérimental a été mis en place afin de pouvoir caractériser un joint de grains en sonde atomique tomographique (SAT). Le joint de grains est entièrement caractérisé selon ses cinq dégrées de liberté grâce au couplage de deux techniques de diffraction des électrons : l’EBSD et le TKD. Des analyses sont réalisées avant et après irradiation afin de dissocier la SII de la ségrégation d’équilibre sur les joint de grains. Enfin, chaque condition a été doublée ou triplée afin d’améliorer la représentativité des résultats. Une irradiation aux ions Fe5+ à 450°C a été réalisée à faible taux de dommage (6.10-5 dpa.s-1 ) afin de favoriser l’enrichissement des joints de grains en chrome. Les analyses réalisées à la SAT ont permis de mettre en évidence le phénomène de SII dans un alliage Fe-13%Cr sur différents types de joints de grains pour une dose de 2 dpa. La structure du joint de grains a un net effet sur la SII. L’effet des normales aux plan a également été observé à la SAT sur deux joints de grains Σ3 (60° ). Un profil de composition en W est systématiquement visible sur les profils en Cr réalisés au travers des joints de grains irradiés. Cette ségrégation en chrome est accompagnée d’une ségrégation en carbone pouvant amener à une ségrégation/précipitation hétérogène dans le plan des joints de grains. Ces précipités riches en chrome et en carbone sont susceptibles d’être des germes de carbures. Des simulations Monté Carlo (AKMC) ont permis de mettre en évidence le phénomène de SII sur un alliage Fe-Cr dans les mêmes conditions d’irradiation que celles sélectionnées expérimentalement. Ces simulations ont permis d’explorer l’effet de la structure du joint de grains, de la densité de puits et des effet balistiques. Toutefois la simulation de cet alliage binaire ne permet pas de reproduire le profil en W du chrome, ce qui amène à penser que le carbone jouerait un rôle important dans la formation de ce profil atypique.

The flaw detection performance of ultrasonic non-destructive testing on polycrystalline materials can be impaired by a high attenuation of the ultrasonic beam induced by the scattering of ultrasonic waves through the grain boundaries. The objective of this research work is to identify the microstructural characteristics that influence attenuation in two types of materials: coarse-grained isotropic materials - represented here by a nickel-based alloy - and textured anisotropic materials, represented by austenitic steel welds. A finite element modelling approach is implemented by coupling the ATHENA® code with a description of the microstructure at grain scale (GSM). This approach makes it possible to study the contribution of scattering to the attenuation of longitudinal waves in these heterogeneous materials, taking into account their morphological, elastic and crystallographic properties. Simulations are carried out in 2D and 3D for both materials. Scattering attenuation is determined by two methods. On the one hand, it is calculated from the decay of the amplitude of multiple simulated bottom echoes. In this method, the contribution of scattering through the microstructure is isolated by comparison with an attenuation obtained in an equivalent homogenized material. On the other hand, it is calculated by decomposing the ultrasonic beam transmitted through the sample into an angular spectrum of monochromatic plane waves. The numerical results show the influence of many parameters on attenuation such as grain size, grain size distribution, crystallographic orientation, grain boundaries and sensor frequency. Finally, the numerical results are compared with experimental data and theoretical predictions obtained by analytical models. This comparison shows the capability of the GSM approach, including 3D simulation to reproduce scattering attenuation in complex microstructures of non-textured isotropic and textured anisotropic materials., Les performances de détection de défauts des contrôles non destructifs par ultrasons sur les matériaux polycristallins, peuvent être altérées par une forte atténuation du faisceau ultrasonore induite par la diffusion des ondes ultrasonores par les joints de grains. L’objectif de ce travail de thèse est d’identifier les caractéristiques microstructurales influentes sur l’atténuation dans deux types de matériaux : les matériaux isotropes à gros grains – représentés ici par un alliage à base nickel et les matériaux anisotropes texturés, représentés par les soudures en acier austénitique. Une approche de modélisation par éléments finis est implémentée en couplant le code ATHENA®, avec une description de la microstructure à l’échelle des grains (GSM). Cette approche permet d’étudier la contribution de la diffusion à l’atténuation des ondes longitudinales dans ces matériaux hétérogènes, en tenant compte de leurs propriétés morphologiques, élastiques et cristallographiques. Des simulations sont effectuées en 2D et 3D pour les deux matériaux. L’atténuation par diffusion est déterminée par deux méthodes. D’une part, elle est calculée à partir de la décroissance de l’amplitude des échos de fond multiples simulés. Dans cette méthode, la contribution de la diffusion par la microstructure est isolée par comparaison avec une atténuation obtenue dans un matériau homogénéisé équivalent. D’autre part, elle est calculée par décomposition du faisceau ultrasonore transmis à travers l’échantillon en spectre angulaire d’ondes planes monochromatiques. Les résultats numériques montrent l’influence de nombreux paramètres sur l’atténuation tels que la taille de grains, la distribution des tailles de grains, l’orientation cristallographique, les joints de grains et la fréquence du capteur. Enfin, les résultats numériques sont comparés avec des données expérimentales et des prédictions théoriques obtenues par des modèles analytiques. Cette comparaison montre la capacité de l’approche GSM, notamment la simulation 3D à reproduire l’atténuation par diffusion dans les microstructures complexes de matériaux isotropes non texturés et anisotropes texturés.

IASCC is a phenomenon of embrittlement observed in stainless austenitic steels used as internal structural elements of PWRs. The magnitude and the characteristics of the phenomenon depend on the material, the PWR environment, the neutron irradiation and the mechanical stresses that these elements undergo. The degradation of one of these contributors makes it possible to limit or eliminate the sensitivity to intergranular cracking. Although contributors such as deformation localization and intergranular segregation have been identified, the role of the irradiation microstructure on the susceptibility to this phenomenon of a material is not fully established. The role of irradiation nanocavities on IASCC, especially those located at grain boundaries is questioned. In this thesis, a 304L stainless steel austenitic was subjected to different irradiation conditions in order to determine the influence of the hardening, the localization and the effect of the irradiation cavities on the embrittlement of this material. The steel samples were irradiated with 10 MeV iron ions with or without helium and under two different temperatures, 450 ° and 600 ° C. These parameters made it possible to modify the microstructures of irradiation. The size and density of the cavities and the Frank loops generated are linked to the irradiation conditions employed. The study of the susceptibility of the irradiated samples has shown that the microstructure that underwent the strongest hardening is the most sensitive to intergranular cracking, although this susceptibility may appear after a weak hardening. The irradiation microstructure, in particular the presence of cavities, seems to reduce the sensitivity to cracking by limiting the location of the deformation or by their softening effect. In this study, the presence of cavities at grain boundaries does not increase sensitivity to intergranular cracking. For the study of radiation-induced hardening, we have developed and realized in situ microcompression tests in SEM on ion-irradiated materials. These simple slip tests show a significant effect of the size of unirradiated micropiliers, which is attenuated or completely annihilated by the hardening effect of the irradiation microstructure. These microcompression tests lead to results consistent with those established by nanoindentation. To better understand the localization effect of the deformation, we varied the grain size of the material under study. When this decreases, the deformation concentrates even more on grains with strong Schmid factors. In addition, the sensitivity to cracking decreases as the grain size increases, showing an effect of the ratio between the irradiation depth and the average grain size.; L'IASCC est un phénomène de fragilisation observé dans les aciers austénitiques inoxydable utilisés comme éléments de structures internes des REP. L'ampleur et les caractéristiques du phénomène dépendent du matériau lui-même, du milieu primaire REP, de l'irradiation neutronique et des sollicitations mécaniques diverses que ces éléments subissent. La dégradation d'un de ces contributeurs permet de limiter ou de faire disparaître la sensibilité à la fissuration intergranulaire. Bien que des contributeurs tels que la localisation de la déformation et la ségrégation intergranulaire aient été identifiés, le rôle de la microstructure d'irradiation dans la sensibilisation d'un matériau à ce phénomène n'est pas totalement établi à ce jour. Le rôle des nanocavités d'irradiation sur l'IASCC, notamment celles situées aux joints de grain est questionné. Dans cette thèse, un acier austénitique inoxydable 304L a été soumis à différentes conditions d'irradiation dans le but de déterminer l'influence du durcissement, de la localisation et l'effet des cavités d'irradiation sur la fragilisation de ce matériau. Les échantillons d'acier ont été irradiés aux ions fer 10 MeV avec ou sans ajout d'hélium et sous deux températures différentes, 450° et 600°C. Les températures et l'ajout d'hélium permettent de modifier les microstructures d'irradiation. Une dose d'irradiation importante est nécessaire pour la germination de cavités, mais la taille et la densité de celles-ci ainsi que des boucles de Frank générées dépendent, bien entendu, des conditions d'irradiation employées. L'étude de la sensibilité des matériaux irradiés a montré que la microstructure ayant subi le plus fort durcissement est la plus sensible à la fissuration intergranulaire bien que celle-ci puisse apparaître après un faible durcissement. La microstructure d'irradiation, notamment la présence de cavités, semble réduire la sensibilité à la fissuration par une limitation de la localisation de la déformation ou par leur effet adoucissant. Dans cette étude, la présence de cavités aux joints de grain n'augmente pas la sensibilité à la fissuration intergranulaire. Pour l'étude du durcissement induit par irradiation, nous avons développé et réalisé des essais de microcompression in situ en MEB sur les matériaux irradiés aux ions. Ces essais en glissement simple montrent un effet important de la taille des micropiliers non irradiés, qui est atténué voire complétement annihilé par l'effet durcissant de la microstructure d'irradiation. Ces essais de microcompression conduisent à des résultats cohérents avec ceux établis par nanoindentation. Pour mieux comprendre l'effet de localisation de la déformation, nous avons fait varier la taille de grains du matériau à l'étude. Lorsque celle-ci diminue, la déformation se concentre d'autant plus sur les grains à forts facteurs de Schmid. De plus, la sensibilité à la fissuration diminue lorsque la taille de grain augmente, ce qui montre un effet du ratio entre la profondeur d'irradiation et la taille moyenne des grains.

Etude des relation entre microstructure et phénomènes liés à l'initiation de la corrosion intergranulaire. notre stratégie et l’étude des surface de cuivre polycristallin par microscopie à champs proche et en ebsd; REALISATION DE SERIE D4IMAGE EN UTILISANT ecstm FAIRE une etude comparative et definire le role de la microstructure

Etude des relation entre microstructure et phénomènes liés à l'initiation de la corrosion intergranulaire. notre stratégie et l’étude des surface de cuivre polycristallin par microscopie à champs proche et en ebsd, REALISATION DE SERIE D4IMAGE EN UTILISANT ecstm FAIRE une etude comparative et definire le role de la microstructure

It is well known that the intergranular segregation of phosphorus can diminish the cohesion between grains, resulting in steel embrittlement. Low alloyed bainitic steels used to build nuclear reactor pressure vessel (RPV) generally contain a small amount of phosphorus (in the range of 100 ppm). Continuous exposure to a low neutron dose rate irradiation at intermediate temperature (~300°C) results in radiation embrittlement of RPV steel. Since intergranular segregation of phosphorous can contribute to this embrittlement, for purpose of RPV reliability during operation, it is important to understand the effects of ageing conditions (temperature, irradiation dose etc.), material composition and grain boundary (GB) type on the intensity of phosphorus intergranular segregation. Regarding to literature sources, it was revealed that the intergranular segregation values may strongly vary among different GBs. However, there is a lack of systematic studies in this field.In order to get an accurate and representative description of GB from structural and chemical points of view, different techniques are combined in this work. Atom Probe Tomography technique is utilized as the main tool. This technique is able to explore the 3D atomic distribution of broad variety elements at GB. GB geometry is determined from Transmission Kikuchi Diffraction (TKD) map supplemented by APT reconstruction. To gain a better understanding of segregation mechanisms, models of thermally and radiation-induced segregation were employed.; Il est bien connu que la ségrégation intergranulaire du phosphore peut diminuer la cohésion entre les grains, entraînant une fragilisation des aciers. Les aciers bainitiques faiblement alliés utilisés pour la construction des cuves des réacteurs à eau sous pression (REP) contiennent généralement une faible quantité de phosphore (dans la gamme de 100 ppm). L’exposition continue à une irradiation sous un faible flux de neutrons à une température moyenne (environ 300°C) conduit à une fragilisation de l’acier de l'acier de cuve. La ségrégation intergranulaire du phosphore peut potentiellement contribuer à cette fragilisation. Pour assurer la fiabilité des REP en fonctionnement, il est donc important de comprendre les effets des conditions de vieillissement (température, dose d’irradiation etc.), de la composition du matériau et du type de joint de grains (JG) sur l’intensité de la ségrégation intergranulaire du phosphore. La littérature montre que la ségrégation intergranulaire peut fortement varier entre différents joints de grains. Cependant, les études systématiques manquent dans ce champ d’étude.Dans le but d’obtenir une description précise et représentative des joints de grains d’un point de vue structural et chimique, ce travail combine différentes techniques. La principale technique utilisée est la Sonde Atomique Tomographique (SAT). Cette technique permet d’explorer en trois dimensions la distribution atomique d’une grande variété d’éléments dans les joints de grains. La géométrie des joints de grains est déterminée grace à la Diffraction de Kikuchi en Transmission (TKD) associée à une reconstruction de SAT. Pour avoir une meilleure compréhension des mécanismes de ségrégation, des modèles ségrégation d'équilibre et de ségrégation induite par l'irradiation ont été utilisés.

Noble gases are key tracers of mantle geochemical and isotopic heterogeneities and can constrain our understanding of mantle geodynamics. Nevertheless, the basic mechanisms of noble gas storage and transport in mantle minerals remain poorly understood. In this PhD thesis, I focused on helium and argon to constrain their storage sites and the diffusive mechanisms, which occur in mantle rocks. Polycrystalline olivine was doped with helium and argon at high temperature (1150 ± 25 and 1050 ± 25 °C) and high pressure (0.30 ± 0.01 GPa), followed by step heating extraction experiments. I also tested the effect of heterogeneous initial concentrations on the extracted diffusivities, and demonstrate the robustness of diffusion parameters obtained in this study. My results show that two diffusion domains are present in polycrystalline olivine: (i) a high temperature domain with high activation energy (Ea) where diffusion is only controlled by lattice diffusion, and (ii) a lower temperature domain with lower Ea where diffusion is controlled by both grain boundary and lattice diffusion. These two domains are separated by a transition temperature that depends on the depletion of helium or argon hosted in grain boundaries, i.e., the amount of helium or argon stored at grain boundaries and the temperature and duration of the step heating sequence. The results confirm that grain boundaries can represent a significant storage site for helium and argon. Moreover, I constrained argon and helium diffusion in olivine lattice. For helium, I report two different populations of Ea in the lattice diffusion domain, which are interpreted as diffusion in interstitials (Ea = 95 ± 15 kJ.mol-1) and Mg vacancies (Ea = 168 ± 19 kJ.mol-1). For argon, a mean value of diffusion parameters in olivine lattice (Ea = 166 ± 44 kJ.mol-1 and logD0 = −7.04 ± 1.13 with D0 in m2.s-1) is obtained for data from literature and this study. Furthermore, I determine grain boundary diffusion parameters: Ea = 45 ± 12 kJ.mol-1 and D0 = 5.30 ± 1.53 * 10-13 m2.s-1 for helium, and Ea = 22 ± 5 kJ.mol-1 and log(D0) = -12.33 ± 0.3 for argon with D0 in m2.s-1. Applying these results to the upper mantle reveals that high content of helium and argon can be stored at grain boundaries. As a consequence, bulk diffusivities can be significantly higher than lattice diffusivities, inducing important implications for mantle geochemistry and geodynamics, Les gaz rares sont d’excellents traceurs des hétérogénéités géochimiques et isotopiques présentes dans le manteau terrestre. Cependant, le stockage et le transport de ces éléments dans les minéraux mantelliques restent mal compris. Cette thèse est centrée sur les sites de stockage de l’hélium et l’argon, et leurs mécanismes de diffusion dans les roches mantelliques. Des échantillons d’olivine polycristalline ont été dopés en hélium et argon à haute température (1150 ± 25 and 1050 ± 25 °C) et haute pression (0.30 ± 0.01 GPa), et analysés par chauffage par paliers de température avec un spectromètre de masse. L’influence d’une concentration initiale hétérogène dans l’échantillon sur les diffusivités calculées a également été testée, démontrant la robustesse des paramètres de diffusion obtenus dans cette étude. Les résultats montrent que deux domaines de diffusion sont présents dans l’olivine polycristalline : (i) un domaine à haute température avec une énergie d’activation (Ea) élevée où la diffusion est contrôlée par la diffusion dans la maille cristalline, et (ii) un domaine à plus basse température avec une Ea plus faible où la diffusion est contrôlée par à la fois la diffusion dans la maille cristalline et celle dans les joints de grains. Ces deux domaines sont séparés par une température de transition qui a lieu au moment où les joints de grains ont été vidés. Mes résultats confirment que les joints de grains peuvent représenter un site de stockage significatif pour l’hélium et l’argon. Pour l’hélium, deux populations d’Ea ont été observées dans le domaine de la maille cristalline de l’olivine, interprétées comme correspondant à la diffusion de l’hélium dans les sites interstitiels (Ea = 95 ± 15 kJ.mol-1) et dans les sites vacants du Mg (Ea = 168 ± 19 kJ.mol-1). Pour l’argon, une valeur moyenne des paramètre de diffusion dans la maille cristalline (Ea = 166 ± 44 kJ.mol-1 et logD0 = −7.04 ± 1.13 avec D0 en m2.s-1) a été obtenue à partir des données de la littérature et de notre étude. De plus, les paramètres de diffusion dans les joints de grains ont été déterminés : Ea = 45 ± 12 kJ.mol-1 et D0 = 5.30 ± 1.53 * 10-13 m2.s-1 pour l’hélium, et Ea = 22 ± 5 kJ.mol-1 et log(D0) = -12.33 ± 0.3 pour l’argon avec D0 en m2.s-1. En appliquant ces résultats au manteau supérieur, il s’avère qu’une quantité conséquente d’hélium et d’argon peut être stockée aux joints de grains (~ 22% pour une taille de grain de 1 mm). En conséquence, les diffusivités globales peuvent être significativement plus élevées que celles de la maille cristalline, induisant des implications importantes pour la géochimie et la géodynamique du manteau terrestre

In this thesis, near-field scanning optical interferometry (NSOI), which combinesNSOM with interferometer, is proposed for the phase measurement. The shear-forcedetection scheme is applied for distance regulation. The hardware of the systemis constructed by combining various electronic devices, and the operating softwareis coded by LabVIEW. Unwanted background signal is removed by simple calculationbased on interference theory. By using this, the near-field optical measurementand the ultra-sensitive phase investigation of nano-materials are performed. 2D materialssuch as graphene and monolayer MoS2 are investigated. It is shown thatatomic-scale thickness can be resolved by the NSOI. Especially, the grain boundariesof graphene and the seed of MoS2 can be found by phase detection. In addition,direct laser writing (DLW) on silver-containing glass is observed by using NSOM,and NSOI. For the first time, the writing threshold is correlatively observed in thefluorescence imaging and the near-field phase image., La construction d’un NSOM, dans ce manuscrit de thèse, est décrite en détail. Lacombinaison du système NSOM construit avec un interféromètre est proposée afin d’accéderà des mesures de phase, à la fois de ultra-haute sensibilité mais également de très granderésolution spatiale. Le nom de l’instrument développé est un interferomètre optique àbalayage en champ proche (NSOI, pour l’acronyme en anglais). Le principe est basé surl’utilisation d’un diapason accordable en cristal de quartz, sur lequel se trouve une pointe,afin de sonder le matériau étudié. La mesure de la force de cisaillement de la pointe sondeau voisinage de la surface permet d’assurer la régulation et la stabilité de la distance depositionnement de la pointe par rapport à la surface considérée. Le dispositif est construit encombinant différents éléments électroniques pilotés par un logiciel développé en langageLab-VIEW. Le bruit de la mesure en NSOI est supprimé par un calcul simple basé sur lathéorie de l’optique ondulatoire et des interférences associées. Le système permet deréaliser des mesures optiques en champ proche ainsi que la détermination en hauterésolution de la phase du champ optique. L’échantillon SNG01 (l’un des réseaux utilisés pourcaractériser notre microscope à balayage en champ proche), ainsi que des disques optiques(CD, DVD and disques blu-ray) ont été utilisés pour tester la faisabilité et les performancesde notre système.Dans ce manuscrit de thèse, le graphène et les monocouches de MoS2 sont étudiés. Nous montrons qu’une épaisseur à l’échelle atomique peut être résolue par notresystème NSOI, avec l’utilisation de l’algorithme de suppression du bruit de mesure. Lesjoints de grain du graphène sont observés à grande échelle, via la technique d’imagerie parcollection en champ proche et par la réalisation de cartographies de phase. En particulier,les tensions internes à une couche de graphène sont observées, uniquement dans le casd’une imagerie de phase.

The high pressure turbine blade of aeroengine are submitted to severe thermomechanical loading in service. The turbine blade are curently manufactured by directionnal solidification with oriented single crystal on the direction , along the principal direction of the blade.The solidification process can induce different defects in the structure.This study is focused on a particular defect: the formation of two crystals in a blade. Defective turbine blades are composed of two grains with different orientation.The aim of this present thesis is to study the influence of the grain boundary on AM1 superalloy blade fatigue life. First, experimental investigations have been performed to understand at different temperatures, the influence of grain boundaries on fatigue fracture due to bending loadings. Notches have been introduced on turbine blades in order to accentuate solicitations on grain boundary. These experiments have evidenced the major role of grain boundary and grains orientations on turbine blade fatigue life.Then another experimental investigation has been carried out under low cycle fatigue on bicrystal specimens with tension/compression loading; the tensile principal stress is along the normal direction of the grain boundary mean plane. These tests allowed quantification of the fatigue life decrease due to the presence of grain boundary compared to the fatigue life of single crystal specimens.A failure criterion have been introduced in the damage constitutive behavior of single crystal AM1 developped by the Onera. This lifetime prediction model have been implemented in FE simulations. It allows the evaluation of the sensivity of grain boundary on turbine blade.; Les aubes de turbines haute pression des turboréacteurs sont soumises à des chargements thermomécaniques sévères en service. Elles sont actuellement fabriquées par solidification dirigée sous forme de monocristaux orientés suivant la direction le long de la direction principale de l'aube. La solidification peut entrainer dans certains cas l'apparition de défauts, notamment la formation de deux grains : l'aube est alors constituée de deux grains d'orientations différentes. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la présence d'un joint de grains sur la durée de vie de l'aube en superalliage AM1. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude expérimentale sur aubes réelles afin de déterminer l'influence du joint de grains sur la rupture par fatigue en flexion à différentes températures. Pour cela, des entailles ont été usinées dans les aubes pour solliciter de façon préférentielle le joint de grains au sein de l'aube dans des essais de type flexion. Cette étude a permis de mettre en évidence le rôle du joint de grains sur la durée de vie de l'aube selon la température d'essai, l'orientation cristallographique relative des grains, la position du joint de grains et le type de sollicitation. Parallèlement, une étude exprimentale sur éprouvettes bi-cristallines de type fatigue oligocyclique a été conduite en traction compression, avec une contrainte principale de traction suivant la normale au plan moyen du joint. Ces essais ont permis de quantifier la réduction de durée de vie induite par la présence du joint de grains par rapport à une éprouvette monocristalline. Un critère de rupture a été ainsi introduit dans la loi d'endommagement développée par l'Onera pour le superalliage monocristallin d'AM1. Ce critère de durée de vie a été appliqué dans les simulations numériques des aubes remaillées et permet de faire une première estimation de la nocivité du joint de grains dans les aubes.

The high pressure turbine blade of aeroengine are submitted to severe thermomechanical loading in service. The turbine blade are curently manufactured by directionnal solidification with oriented single crystal on the direction , along the principal direction of the blade.The solidification process can induce different defects in the structure.This study is focused on a particular defect: the formation of two crystals in a blade. Defective turbine blades are composed of two grains with different orientation.The aim of this present thesis is to study the influence of the grain boundary on AM1 superalloy blade fatigue life. First, experimental investigations have been performed to understand at different temperatures, the influence of grain boundaries on fatigue fracture due to bending loadings. Notches have been introduced on turbine blades in order to accentuate solicitations on grain boundary. These experiments have evidenced the major role of grain boundary and grains orientations on turbine blade fatigue life.Then another experimental investigation has been carried out under low cycle fatigue on bicrystal specimens with tension/compression loading; the tensile principal stress is along the normal direction of the grain boundary mean plane. These tests allowed quantification of the fatigue life decrease due to the presence of grain boundary compared to the fatigue life of single crystal specimens.A failure criterion have been introduced in the damage constitutive behavior of single crystal AM1 developped by the Onera. This lifetime prediction model have been implemented in FE simulations. It allows the evaluation of the sensivity of grain boundary on turbine blade.; Les aubes de turbines haute pression des turboréacteurs sont soumises à des chargements thermomécaniques sévères en service. Elles sont actuellement fabriquées par solidification dirigée sous forme de monocristaux orientés suivant la direction le long de la direction principale de l'aube. La solidification peut entrainer dans certains cas l'apparition de défauts, notamment la formation de deux grains : l'aube est alors constituée de deux grains d'orientations différentes. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la présence d'un joint de grains sur la durée de vie de l'aube en superalliage AM1. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude expérimentale sur aubes réelles afin de déterminer l'influence du joint de grains sur la rupture par fatigue en flexion à différentes températures. Pour cela, des entailles ont été usinées dans les aubes pour solliciter de façon préférentielle le joint de grains au sein de l'aube dans des essais de type flexion. Cette étude a permis de mettre en évidence le rôle du joint de grains sur la durée de vie de l'aube selon la température d'essai, l'orientation cristallographique relative des grains, la position du joint de grains et le type de sollicitation. Parallèlement, une étude exprimentale sur éprouvettes bi-cristallines de type fatigue oligocyclique a été conduite en traction compression, avec une contrainte principale de traction suivant la normale au plan moyen du joint. Ces essais ont permis de quantifier la réduction de durée de vie induite par la présence du joint de grains par rapport à une éprouvette monocristalline. Un critère de rupture a été ainsi introduit dans la loi d'endommagement développée par l'Onera pour le superalliage monocristallin d'AM1. Ce critère de durée de vie a été appliqué dans les simulations numériques des aubes remaillées et permet de faire une première estimation de la nocivité du joint de grains dans les aubes.

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.

The loss of the corrosion resistance of the alloy 600, a nickel base alloy, during the oxidation in pressurized water reactor (PWR) has been demonstrated by many studies. It induces the intergranular stress corrosion cracking (IGSCC). If the chemical composition and the structure of the growing oxide are well-known, the mechanical influence of the oxide on the alloy has not been fully studied, yet. This study aims at bringing new knowledge of the oxidation impact on the mechanical response of the alloy. A new methodology is introduced for determining the local nanodeformation of the alloy 600 induced either by an oxidation or by a tensile loading. This method is based on nanodots disposed at the alloy surface as local markers of position. The statistical analysis of these data allowed to determine rare events of high deformation The samples were characterized locally by SEM, TEM, XPS and spectroscopic ellipsometry to characterize the internal oxide which constrains the alloy. The coupling of the EBSD with the nanodots had enabled to determine a set of parameters, which was used as an alarm criterion for the IGSCC initiation., De nombreuses études ont prouvé l’affaiblissement de la résistance de l’alliage 600 lors de l’oxydation en milieu primaire des réacteurs à eau pressurisée. Celle-ci induit la rupture localisée du matériau notamment par fissure intergranulaire. La nature ainsi que la structure de l’oxyde se développant à la surface de l’alliage sont parfaitement connues. Cependant, l’influence mécanique de l’oxyde sur l’alliage n’a pas été explorée. L’objectif de cette étude est d’apporter des connaissances nouvelles sur l’impact de l’oxydation sur la réponse mécanique de l’alliage. Un système d’analyse, basé sur l’utilisation de nanoplots comme marqueurs de position, a été développé et mis en œuvre afin de mesurer des déformations engendrées par l’oxydation puis par une traction. Le traitement statistique de ces données a permis de déterminer des évènements rares de haute déformation. Les échantillons utilisés ont été caractérisés par MEB, TEM, XPS et ellipsométrie spectroscopique afin d’en déduire l’épaisseur de la couche d’oxyde interne contraignant l’alliage. De plus, le couplage de l’EBSD avec les nanoplots a permis de déterminer un ensemble de paramètres pouvant servir de critère d’alerte à l’initiation de la fissuration intergranulaire.

As the microstructure of polycristal material evolve, some grains grow while others disappear, causing a well known influence on the macroscopic mechanical properties. Hence, it is important to simulate the evolution of the microstructure to determine property changes. A grain growth model was developped and incorporated into the finite element software Z-set. For this purpose, a specific remeshing tool has been built to follow the geometrical evolution of the microstructure., La microstructure des matériaux polycristallins évolue au cours du temps, des grains vont grossir alors que d’autres vont disparaître. Or, celle-ci a une forte influence sur les propriétés mécaniques de ces matériaux. Il est donc important de simuler cette évolution pour connaître a priori les futures propiétés. Nous avons donc développé un modèle de croissance de grain et nous l’avons introduit dans le code éléments finis ZéBuLoN. De plus, pour mieux suivre l’évolution de la géométrie de la microstructure, nous avons construit un outil de remaillage adpaté à notre problème.

The phase-field method has become in recent years the method of choice to model microstructural pattern formation during solidification. For monocrystals, quantitative agreement with experiments and analytical solutions has been obtained. The modeling of polycrystals, which consist of many grains of the same thermodynamic phase, but different orientations of the crystalline lattice, is far less advanced. Two types of models have been proposed: multi-phase-field models use a separate phase field for each grain, and orientation-field models use a small number of fields, but have non-analytical terms in their free energy functional. This work examines various aspects of phase-field modeling of polycrystals and is divided in three parts. In the first, a new possibility of describing the local orientation is explored, using a tensorial order parameter which represents automatically the local symmetry of the system. This approach is tested by developing a phase-field model for the nematic-isotropic phase transition in liquid crystals. The model is applied to simulate the directional ''solidification'' of a liquid crystal. The effect of the coupling between nematic orientation and the interface shape is investigated. The simulation results for the stability of a planar interface agree well with a generalized stability analysis, which takes into account a new anchoring condition at the interface: the nematic orientation at the interface is the result of the interplay between bulk deformation and interface anisotropy. The shape and stability of well-developed cells is also influenced by this effect. Numerically, the use of a tensorial order parameter simplifies the treatment of the symmetries in the system significantly, while the equations of motions become considerably more complicated. In the second part, grain boundaries are investigated on a smaller length scale, using a phase field crystal model, where elastic properties and dislocations appear naturally. With this model, the local order in interfaces is examined and the stability of liquid films between two solid grains is studied below the melting point. This situation can be described by an interaction potential between the two solid-liquid interfaces, which is extracted numerically. The results are compared with a phenomenological model which is found to hold for high-angle grain boundaries, where the dislocations overlap. For low-angle grain boundaries, premelting around dislocation as well as a symmetry breaking (dislocations form pairs) is observed. As a result, the interaction potential becomes nonmonotonous, and consists of a long-range attraction and a short-range repulsion. In the third part, a new phase-field model is developed using an angle variable to describe the crystalline orientation. Contrary to the already existing models, the free energy is constructed without a term proportional to the modulus of the gradient of the orientation field. Instead, the standard squared gradient is used, but it is coupled to the phase field with a singular coupling function. Various benchmark simulations are carried out to test the model. It is found that it presents several artifacts such as spurious grain rotation and interface motion; however, these effects are extremely small, such that the model yields satisfactory results unless the undercooling is very small. Finally, the observed problems are analyzed and ways of obtaining a better description of the dynamics of the angle field are discussed., La méthode d'élimination sur le terrain est devenu ces dernières années la méthode de choix pour modéliser la formation des motifs de la microstructure lors de la solidification. Pour monocristaux, accord quantitatif avec des expériences et des solutions analytiques ont été obtenues. La modélisation des polycristaux, qui sont composées de nombreux grains d'une même phase thermodynamique, mais différentes orientations du réseau cristallin, est beaucoup moins avancée. Deux types de modèles ont été proposés: les modèles multi-phase-champ d'utiliser un champ de phase pour chaque grain, et les modèles d'orientation-champ d'utiliser un petit nombre de domaines, mais ont des termes non analytiques dans leur énergie libre fonctionnel. Ce travail examine les divers aspects de la phase de modélisation du champ de polycristaux et est divisé en trois parties. Dans la première, une nouvelle possibilité de décrire l'orientation locale est explorée, en utilisant un paramètre d'ordre tensoriel qui représente automatiquement la symétrie locale du système. Cette approche est testée en phase de développement d'un modèle de champ pour la transition de phase nématique-isotrope dans les cristaux liquides. Le modèle est appliqué pour simuler la solidification directionnelle''''d'un cristal liquide. L'effet du couplage entre l'orientation et la forme nématique interface est étudiée. Les résultats de simulation pour la stabilité d'une interface plane en bon accord avec une analyse de stabilité généralisée, qui tient compte d'une condition nouvelle d'ancrage à l'interface: l'orientation à l'interface nématique est le résultat de l'interaction entre la déformation en vrac et l'anisotropie d'interface. La forme et la stabilité des cellules bien développé est également influencée par cet effet. Numériquement, l'utilisation d'un paramètre d'ordre tensoriel simplifie le traitement des symétries dans le système de manière significative, tandis que les équations de mouvements deviennent beaucoup plus compliquées. Dans la deuxième partie, les joints de grains sont étudiés sur une échelle plus petite longueur, en utilisant un modèle de cristal phase de terrain, où les propriétés élastiques et des dislocations apparaissent naturellement. Avec ce modèle, l'ordre local dans les interfaces est examiné et la stabilité des films liquides entre deux grains solides est étudiée ci-dessous le point de fusion. Cette situation peut être décrite par un potentiel d'interaction entre les deux interfaces solide-liquide, qui est extraite numériquement. Les résultats sont comparés avec un modèle phénoménologique qui se trouve à tenir pour les joints de grains à forte inclinaison, où les dislocations se chevauchent. Pour les joints de grains à faible angle, autour de préfusion dislocation ainsi qu'une brisure de symétrie (paires de dislocations forme) est observée. En conséquence, le potentiel d'interaction devient nonmonotonous, et se compose d'une attraction à longue portée et une répulsion à courte portée. Dans la troisième partie, un nouveau modèle de phase sur le terrain est développé en utilisant une variable d'angle pour décrire l'orientation cristalline. Contrairement aux modèles déjà existants, l'énergie libre est construit sans un terme proportionnel au module du gradient du champ de l'orientation. Au lieu de cela, le gradient de la norme au carré est utilisé, mais il est couplé à la phase du champ avec une fonction de couplage singulier. Diverses simulations référence sont réalisés afin de tester le modèle. Il se trouve qu'elle présente plusieurs artefacts tels que la rotation et le mouvement du grain parasite interface, mais ces effets sont extrêmement petites, telles que le modèle donne des résultats satisfaisants que si la surfusion est très faible. Enfin, les problèmes observés sont analysés et des moyens d'obtenir une meilleure description de la dynamique de l'angle de champ sont discutées.

The microstructure of granular material have a large influence on the mechanical properties. As a consequence, it is interesting to know and to monitor their evolution to anticipate the final properties of these materials. Then, we have developed a finite elements model of crystal growth in the Z-set software. This model predicts the motion of grain boundaries as interfaces between two crystal lattices with different orientations. In this model, the motion corresponds to normal grain growth. A working example is finally used to validate this model: a single spherical grain boundary., Les propriétés mécaniques des matériaux granulaires dépendent en grande partie de leur microstructure. C'est pourquoi, il est intéressant de connaître et d'influencer leur évolution pour anticiper les propriétés finales de ces matériaux. Pour cela, nous avons développé dans le logiciel Z-set un modèle éléments finis de croissance cristalline. Ce modèle étudie le mouve-ment des joints de grains qui sont des interfaces entre deux réseaux cristallins d'orientations différentes. Dans notre cas, ce mouvement suit une dynamique de croissance normale. Enfin, nous avons testé ce modèle pour un joint de grain unique et sphérique.

Segregation is a general expression which describe the accumulation of atoms near defects of a material. Tomographic atom probe has been used to analyze, at a nanometric scale, the distribution of atoms near linear and planar defects.Boron atoms are added in small amount in Fe-40Al alloy (B2 ordered structure) to improve the mechanical resistance at ambient temperature. The spatial distribution of boron atoms in the grain of Fe-40Al alloy show a segregation to antiphase boundaries and stacking faults. A Cottrell atmosphere has been visualized for the first time at a nanometric scale. The enrichment of boron at the dislocation core is correlated with a depletion of aluminium atoms. We speculate that boron atoms substitute to aluminium atoms. This segregation of boron atoms within the grain of a Fe-40Al alloy seems to be responsible for the stabilisation of a new microstructure.A transmission electron microscope and a tomographic atom probe have been used to find a relation between the structure and the chemistry of a grain boundary. The experimental support of this work is a nickel base superalloy N18. Boron, molybdenium and chromium atoms segregate to the grain boundaries. This study show us that “random” grain boundaries are the most enriched in boron atoms. When this intergranular enrichment reach and is well above five atoms per square nanometer, a gamma disordered region of two nanometer in thickness separate always the gamma prime precipitates and the grain boundary plane.In a grain boundary plane, atoms are arranged in a way of parallelepipedal cells. Such a repartition might be the result of the particular structure of this grain boundary which is slightly misoriented to a position of coincidence., La ségrégation est une expression générale qui décrit un rassemblement d’atomes autour des défauts d’un matériau. La sonde atomique tomographique a été utilisée pour analyser à une échelle nanométrique la répartition des atomes prés de défauts linéaires et plans.Le bore est ajouté en quantité infinitésimale dans l’alliage Fe-40Al (structure ordonnée B2) pour augmenter sa résistance mécanique à température ambiante. La répartition spatiale des atomes de bore dans les grains de l’alliage Fe-40Al montre que ces atomes ségrégent sur les parois d’antiphase et les fautes d’empilements. L’image d’une atmosphère de Cottrell a été visualisée pour la première fois à une échelle nanométrique. L’enrichissement en bore au cœur de la dislocation s’accompagne d’un appauvrissement en aluminium. Le bore se substituerait aux atomes d’aluminium. Cette ségrégation de bore sur les défauts de l’alliage Fe-40Al semble responsable de la stabilisation d’une nouvelle microstructure.L’utilisation conjointe de la microscopie électronique en transmission et de la sonde atomique a permis d’étudier sur plusieurs joints de grains, la relation entre leur chimie et leur structure. Un superalliage à base de nickel N18 dopé au bore constitue le support expérimental de cette étude. Le bore, le molybdène et le chrome ségrègent aux joints. Mais ces analyses démontrent que les joints dits « généraux » sont les plus riches en bore. Quand cet enrichissement en bore atteint et dépasse 5 atomes par nanomètre carré, une zone désordonnée gamma de deux nanomètres d’épaisseur sépare toujours les précipités ordonnés gamma prime et le plan du joint.Dans le plan d’un joint de grains, des atomes ségrégés forment des cellules parallélépipédiques. Cette répartition semble provenir de la position légèrement désorientée par rapport à une position de coïncidence, de ce joint.

la sonde atomique tomographique developpee a l'universite de Rouen est une nouvelle technique combinant microscopie et microanalyse quantitative a une echelle proche de la maille cristalline. L'instrument produit pour chaque espece, une image tridimensionnelle du petit element de volume analyse (10×10×100 nm 3 ) resolue a l'echelle du plan atomique. Differentes applications de cette nouvelle technique dans l'etude des interfaces interphase et des joints de grains sont donnees: segregation du chrome aux interfaces y /α 2 dans les aluminiures de titane, nano-precipitation aux joints interphase ferrite-cementite dans des aciers perlitiques, chimie locale des joints de grains dans des superalliages a base de nickel.

International audience; Dies and molds are subjected to severe mechanical and thermal loads during injec tion or forging operations. As fatigue is one of the most important cause of tool steels damage, we studied isothermal (between 200°C and 600°C) fatigue behaviour and damage of two grades (SMV3 andADC3) of a tempered martensitic 5%Cr steel. More than 100fatigue tests were performed in order to analyse mechanical loading, temperature and initial hardness influences. We observed a softening during all lifetime which is typical of tempered martensitic steels. Softening amplitudes are increasing with increasing total strain amplitude, and decreasing with increasing temperature (till 550°C) and hardness (between 42 HRC and 50 HRC). Influences of temperature and hardness are limited when observed through a Manson-Coffin dia gram. Conversely, increasing test temperature or decreasing hardness leads to a strong reduction of lifetime (factor 1000 for a 8 HRC decrease!) when results are plotted in a Basquin diagram. Interrupted tests showed that crack initiation controls lifetime for a number of cycles to failure around 105cycles. Threesites ofcrack initiationwere identifiedanddiscussed:-non metallic inclusions (200°C-400°C) ;-lath boundary (200°C-400°C) ;-prior austenitic grain boundary (500°C-600°C).

Since the early 1970s certain component parts of primary loops of nuclear pressurised water reactors, such as steam generator tubing and pressure vessel head penetrations, have been affected by intergranular stress corrosion cracking. This form of cracking, which occurs after several thousand hours, initiates on the component side exposed to primary water. The purpose of this study is to gain a better understanding of the cracking mechanism. The focus is on the interactions between the local mechanical loading conditions and the effects of an oxidising environment. Fatigue and creep fatigue crack propagation tests were carried out using CT specimens. the local mechanical loading conditions were determined by finite element calculations. The oxidation behaviour was studied by transmission electron microscopy. Creep tests were conducted on thin sheet samples to investigate the effects of environment on the creep properties. Intergranular crack propagation, as determined at 550°C in air and in vacuum, has been related to a creep damage mechanism. Dislocation creep deformation mechanisms, which appear to induce intergranular damage in this material at high temperature, are enhanced when the growing oxide scale is nickel- or iron-rich, compared to the results obtained in high vacuum with the protective chromium oxide scale. Thus, intergranular fracture, which occurs in all environmental conditions under creep fatigue cycles, occurs even under fatigue cycles when creep is enhanced. Fatigue crack propagation tests at 400°C gave essentially the same results as those obtained at 550°C. Crack propagation tests in deaerated water, either in low pressure vapour at 400°C or in primary water at 320°C, lead to the same cracking results. The fracture surfaces were identical to those observed after conventional stress corrosion cracking tests. For these environmental conditions, the enhanced creep model was also proposed to account for the experimental results.; La fissuration intergranulaire par corrosion sous contrainte affecte depuis plusieurs décennies certaines pièces en alliage 600 (NC15FE) des réacteurs nucléaires à eau sous pression, telles que les tubes de générateur de vapeur et les manchettes d'adaptateur pour couvercle de cuve, exposées pendant plusieurs dizaines de milliers d'heures au milieu primaire (eau pure désaérée, additionnée d'hydrogène, de bore et de lithium entre 290 et 325°C). L'objectif de l'étude est une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la fissuration, en particulier des interactions entre les sollicitations mécaniques locales et les effets d'environnement liés à la présence d'un milieu oxydant. Des essais de propagation de fissure sur éprouvettes CT ont été réalisés en fatigue continue et en fatigue fluage. L'analyse des résultats a porté sur les sollicitations mécaniques locales (calcul par éléments finis), les modes d'oxydation (expertises par microscopie électronique en transmission) et les interactions entre l'environnement et le comportement mécanique du matériau (essais sur produit mince). La propagation de fissure intergranulaire à 550°C sous différentes pressions partielles d'oxygène a été reliée à un endommagement de fluage. La formation d'oxydes riches en nickel et/ou en fer accélère le fluage dislocation à proximité de la surface. Elle étend alors le domaine de rupture intergranulaire vers les vitesses de déformation locales plus élevées imposées en fatigue continue. Des résultats analogues ont été obtenus à 400°C. Les essais en présence d'eau désaérée (vapeur à 400°C, milieu primaire à 320°C) ont également conduit à une propagation de fissure intergranulaire et à la formation d'oxydes riches en nickel. Les faciès de rupture sont identiques à ceux obtenus en corrosion sous contrainte. Une activation locale du fluage dislocation par les réactions d'oxydation est également envisagée pour rendre compte des résultats expérimentaux.

Not available, Les nanomatériaux, matériaux de structure nanocristalline, suscitent depuis quelques années un vif intérêt: leur forte densité d'interfaces leur confère des propriétés physico-chimiques originales. L’élaboration de ces matériaux nanocristallins peut se faire par différentes méthodes, dont la mécanosynthèse. L’étude de solutions solides nanocristallines vise à obtenir une meilleure connaissance des nanomatériaux, avec notamment la caractérisation des joints de grains. Quant à la seconde étude, elle porte sur la caractérisation du désordre induit par broyage. Le choix de systèmes et composés à base de fer est sous-tendu par le fait que nous utilisons comme technique principale d'analyse la spectrométrie Mössbauer (57Fe, 119Sn, 121Sb), particulièrement bien adaptée à ces études puisqu'elle est sensible aux phénomènes qui se passent à l'échelle du nanomètre. La synthèse des solutions solides nanocristallines est réalisée à partir d'un mélange de poudres de fer et d'étain (ou antimoine) par broyage à haute énergie dans des conditions expérimentales bien définies. Après une caractérisation de ces solutions solides (composition chimique, taille des grains), le travail primordial porte sur l'étude des joints de grains dans de tels matériaux: structure, largeur des joints de grains, propriétés magnétiques, évolution lors de traitements thermiques. Toutes ces informations conduisent à conclure à une structure peu désordonnée de ces joints de grains. Confrontées à d'autres résultats concernant des matériaux nanocristallins obtenus par des techniques différentes, il apparait que la nature des joints de grains est fortement dépendante du mode d'élaboration. L’étude du désordre induit par broyage est menée dans des composés intermétalliques ordonnes de type L12 et dans des stannures de fer. Nous suivons l'évolution de ces composés intermétalliques au cours du broyage et caractérisons l'équilibre dynamique atteint par les poudres dans des conditions de broyage données

Boron segregation to grain boundaries was studied in ordered (B2) FeAl containing 40 at% Al. It was observed that small additions of boron (200 at ppm) change the fracture mode from intergranular to mixed (transgranular and intergranular). A low level of boron (few at%) was detected by AES in grain boundaries of this hypostoechiometric alloy. Nevertheless, the kinetic of boron segregation is rapid: even a quench from 950°C promotes it. As FeAl alloys are known to retain large concentrations of thermal vacancies, the possibility of an interaction between boron atoms and vacancies was investigated in order to understand the mechanism of boron segregation. Dilatometric isothermal experiments showed that vacancies eliminate more rapidly in B-doped Fe-40 at%Al than in B-free Fe-40 at%Al. Modelisation of the kinetics of vacancies elimination predict that complexes boron atoms - vacancies migrate more rapidly than free vacancies: the difference between their migration energies is higher than 0,4 eV. This result could justify the assumption that at least a part of boron segregation in FeAl is due to a non-equilibrium mechanism.

This paper describes the precipitation evolution that occurs in a not prestrained 1%N Mn-Cr austenitic steel aged in the [400 o C-900 o C] temperature range, and for various times up to 150 hours. Thermal treatments carried out between 700 o C and 900 o C lead to a discontinuous precipitation of plates of Cr 2 N at grain boundaries. The nucleation stage of this precipitation reaction arises from the migration of the grain boundary along the high-energy interface, in order to reduce the interfacial energy of the primary surface between the plate and the grain boundary. On the contrary, the cell growth is characterized by numerous properties that differ from the hypotheses of usual theories. These non-steady state growth features arise from the continuous modifications of the diffusion-controlled mechanisms during isothermal aging. Beside this cellular precipitation, the sigma phase forms with significant volume fractions in the cells

Pour vérifier que la ségrégation d'oxygène est bien à l'origine de l'activité recombinante des joints de grains de bicristaux « CZ », de configuration Σ = 13 et de type P, des échantillons ont été étudiés bruts de fabrication, après recuit, après diffusion d'or ainsi qu'après recuit et diffusion d'or. Les techniques expérimentales regroupent les balayages LBIC, le contraste EBIC, ainsi que la DLTS utilisant la région de charge d'espace du joint de grains comme structure de collecte. Les résultats montrent que l'activité recombinante des joints ne devient notable qu'après un recuit à 880 °C pendant plusieurs dizaines d'heures. Une diffusion d'or à 700 °C ne produit pas d'autre effet que celui dû au seul recuit. Une diffusion d'or à 800 °C pendant 3 heures dans un bicristal préalablement recuit à 880 °C pendant 30 heures réduit les recombinaisons aux joints et dans les grains. L'activation des joints de grains de type Σ = 13 est donc un phénomène lent, tandis que la présence d'impuretés métalliques diffusant rapidement dans le silicium est soit sans effet, soit passivante. L'activation des joints doit donc résulter de la capture de diffuseurs relativement lents. Par suite de son abondance dans les cristaux « CZ » et des précipités qu'il peut former aux joints, l'oxygène dissous dans les grains apparaît bien après ségrégation comme le principal responsable de l'activation de ces défauts.

Thèse de doctorat de l'université Bordeaux 1; Not available; L'étude de la microstructure de varistances à base d'oxyde de zinc et de diélectriques à base de titanate de baryum en présence de LiF a été réalisée par microscopie électronique STEM sur des échantillons amincis après traitement thermique. Une attention particulière a été portée à la structure des joints de grains, aux phases intergranulaires et aux couches de ségrégation. Cette étude a permis d'une part de corréler les microstructures et les propriétés électriques et d'autre part de préciser le mécanisme de frittage de ces céramiques.

No English abstract, Les défauts d'un cristal sont les porteurs de la diffusion. Le flux J des défauts ponctuels dans le volume du cristal et le flux J' des espèces diffusant dans les défauts étendus sont supposés parallèles dans notre modèle d'oxydation des métaux. La vitesse s'écrit v = J(1 - θ) + J ' θ, θ est la portion de l'aire occupée par les "courts-circuits" constitués par les défauts étendus du cristal. Ce modèle permet d'expliquer le comportement d'échantillons de nickel revêtus de V2O5 sous oxygène pur, *à 900°C : La vitesse d'oxydation est maximale pour une pression d'oxygène de 20 kPa et proportionnelle à l'épaisseur *du dépôt. L'étude morphologique (par diffraction RX en incidence oblique, spectroscopie Auger, M.E.B.) montre qu'un composé oxygéné de nickel et de vanadium est localisé dans la couche de l'oxyde NiO. Tant que ce composé est liquide ou non-stœchiométrique, la corrosion est catastrophique, sinon la diffusion est bloquée et la vitesse inférieure à celle observée pour le nickel pur. A priori, un élément susceptible de réagir avec V2O5 pour former un solide peut protéger le matériau. Ainsi un revêtement de magnésium métallique sur le nickel ou sur un acier inoxydable (type 25-20) s'avère efficace.

L'image, donnee par microscopie ionique, d'une surface ou emerge une dislocation, depend principalement de la perturbation de cette surface le long de sa normale. Les configurations de la surface pour des dislocations parfaites et imparfaites, des boucles, des fautes d'empilement et des dislocations dissociees, predites theoriquement ont ete correlees avec les observations experimentales dans les metaux cubiques faces centrees et cubiques centres. La theorie est aussi appliquee aux dislocations dans les joints de grains. On indique quelques limitations de la methode et la validite des observations.

We studied the diffusion properties of an hydrophilic molecular probe in a lyotropic lamellar phase which is a strongly anisotropic medium. Two behaviours are observed while varying the dilution of the system: a dilute regime in which molecules diffuse in the aqueous medium restricted by two walls, and a confined regime in which molecules diffuse as membrane probes. A simple model taking into account the membrane fluidity allows us to interpret our results and to illustrate the crucial role of the probe anisotropy. In the second part of this work, we studied the microscopic mechanisms of the smectic - cholesteric phase transition in lyotropic liquid crystals. We studied a mixture of two amphiphilic molecules with different spontaneous curvatures (DMPC/C12E5/H2O). We unveiled the apparition of dislocation loops in the smectic phase when approaching the phase transition. This validates experimentally theoretical predictions implying the unbinding of this kind of defects as the mechanism mediating the phase transition. This system thus appears as a good experimental tool to study this kind of transitions which can occur in several fields of soft condensed matter. Finally, the direct visualization of the defects, the characterization of their structure and of their organization allows us to propose the existence of new phases in the field of lyotropic liquid crystals (biaxial smectic, TGB).; L'étude des propriétés de diffusion moléculaire d'un dopant dans une phase lamellaire orientée nous permet de mettre en évidence les caractéristiques de diffusion dans un milieux fortement anisotrope. En particulier, la variation continue de la dilution du système montre l'existence de deux régimes : un régime dilué où les molécules diffusent comme dans un solvant et un nouveau régime, très confiné, dans lequel les molécules diffusent comme des dopants membranaires. Le développement d'un modèle prenant en compte la fluidité des membranes nous permet d'interpréter ces résultats dans la majorité des cas et révèle l'importance de l'anisotropie des diffuseurs. Dans la seconde partie, nous nous intéressons à l'étude du mécanisme microscopique mis en jeu dans la transition smectique - cholestérique dans les cristaux liquides lyotropes. En utilisant un système déjà connu au laboratoire (DMPC/C12E5/H2O), nous validons expérimentalement le scénario de transition par débouclage de boucles de dislocations proposé théoriquement depuis plusieurs années. Nous proposons ainsi un système expérimental de choix pour l'étude de ce genre de transition, prédites dans différents domaines de la physique de la matière condensée. La visualisation directe des défauts, la mise en évidence de leur structure en boucle, l'observation de leur différentes organisations nous permet également de proposer l'existence de nouvelles phases dans le domaine des cristaux liquides lyotropes (smectique biaxe et phase TGB).