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Radiation induced segregation (RIS) is a process identified to be involved in most of the degradation mechanisms of austenitic stainless steels core components of nuclear reactors. During irradiation within the operating temperature range of present and possible prototypes of future reactors, chemical elements of reactor internal metallic components redistribute heterogeneously and segregate on the pre-existent and newly created defects. Local enrichments or depletions levels depend, inter alia, on the element and nature of the defect affected. While mechanisms involved in RIS have already been identified, their kinetics and mutual weigh are still poorly known. Indeed, current theorical models of RIS suffer from a lack of experimental data. These two aspects motivated this study. First, by the determination of interdiffusion kinetics after thermal ageing and under irradiation on model alloys in the Fe-Ni-Cr system. Irradiation effect on diffusion have been studied at 440°C. At this temperature, conventional methods to study diffusion fail to give access to such slow kinetics under reasonable time. Experimental implementation of the nanolayers method on binary and ternary alloys gave, in this case, encouraging results. However, discrepancies between experiments and predictions revealed the need of optimizations on both sides. In the framework of this study, recommendations have been established to account for the effect of the microstructure and the selected ageing conditions on measured effective kinetics. Experiments on model alloys have the great interest to be directly confronted to simulation. Nevertheless, nuclear steels contain a large variety of minor alloying elements and impurities which have shown to play a key role on RIS behaviour. Thus, in a second part, RIS study on various bulk defects of an optimized nuclear austenitic stainless steel, a 316L(N) has been performed. Consequently, nanoscale coupled and correlated techniques (Atom Probe Tomography and Transmission Eelectron Microscopy) have been implemented. Techniques complementarity offered the possibility to associate enrichments to defect crystallography and revealed singular tendencies of RIS depending on the element and the defect involved. Furthermore, a higher nitrogen and niobium content in the steel nominal composition formed primary Z-phase, its stability under irradiation had also been for the first time studied in austenitic stainless steels., L’implication de la ségrégation induite par l’irradiation (SIR) dans la majorité des mécanismes de dégradation des composants du cœur des réacteurs nucléaires en aciers inoxydables austénitiques est avérée. Aux températures de fonctionnement des réacteurs actuels et possibles prototypes du futur, les éléments chimiques des pièces métalliques des structures internes se redistribuent de manière hétérogène en ségrégeant sur les défauts préexistants et nouvellement créés par l’irradiation. L’intensité des enrichissements ou des appauvrissements locaux dépendent, entre autres, de la nature de l'élément et du défaut concerné. Si les différents mécanismes de ségrégation sont aujourd’hui bien identifiés, leur cinétique et leur degré d’implication respectifs sont encore peu renseignés. En effet, les modèles théoriques actuels de la SIR souffrent d'un manque de données expérimentales. Ces deux aspects sont le moteur de cette étude. Dans un premier temps, les cinétiques d'interdiffusion après vieillissement thermique et sous irradiation ont été déterminées dans des alliages modèles du système Fe-Ni-Cr. L'effet de l'irradiation sur la diffusion a été étudié à 440°C. A cette température les coefficients de diffusion sont faibles et les méthodes classiques d'étude de la diffusion ne permettent pas d'y accéder dans un délai raisonnable. La mise en œuvre expérimentale de la méthode des multicouches à période nanométrique dans des alliages binaires et ternaires a montré, dans ce cas, des résultats encourageants. Toutefois, des divergences entre les résultats expérimentaux et les prévisions théoriques ont révélé la nécessité d'optimiser ces deux approches. Dans le cadre de cette étude, des recommandations ont été formulées pour tenir compte de l’impact de la microstructure et du choix des conditions de vieillissement sur les cinétiques effectives mesurées. Les expériences réalisées sur des alliages modèles offrent l’intérêt de pouvoir être directement confrontées à la simulation. Néanmoins, les aciers de l’industrie nucléaire contiennent une grande variété d'éléments d'alliage minoritaires et d'impuretés qui jouent un rôle clé sur le comportement des éléments impliqués dans la SIR. Ainsi, dans un second temps, une étude de la SIR sur différents défauts intragranulaires d'un acier inoxydable austénitique optimisé, un 316L(N) a été réalisée. Pour cela, des techniques couplées et corrélées à l'échelle nanométrique (Sonde Atomique Tomgraphique et Miscroscopie Electronique en Transmission) ont été mises en place. La complémentarité des techniques a rendu possible l'association des enrichissements locaux observés à la cristallographie des défauts concernés. Des tendances singulières de SIR ont été observées selon l'élément et la nature du défaut impliqués. Une teneur plus élevée en azote et en niobium dans la composition nominale de l'acier a entrainé la précipitation de phase Z primaire. La stabilité de cette phase sous irradiation dans les aciers inoxydables austénitiques a pour la première fois pu être étudiée.

The surface of mechanical components is a sensitive zone subjected to particular mechanical (friction, maximum stress) and chemical (ambient atmosphere, corrosion) interactions. Hence, the rupture is generally initiated on the surface. In order to increase the global integrity of the working parts, the industrial groups are still seeking technological solutions allowing the modifications of the surface properties. Nodaway, plenty of surface modification techniques have been developed like the mechanical surface treatments. Among them, the ultrasonic shot peening (or surface mechanical attrition treatment) focus on superficially deform the mechanical parts through numerous collisions of peening medias having random trajectories inside a confined chamber. The purpose of this study is based on the analysis and the comprehension of the deformed microstructures induced by the ultrasonic shot peening treatment, especially under cryogenic temperatures. To do so, several austenitic stainless steel grades having different stabilities regarding the martensitic transformation have been treated under cryogenic conditions and compared to the properties obtained under room temperature. The first observations have shown that, after a cryogenic peening, a decrease of the subsurface hardness takes place in the stable 310S alloy which was attributed to an increase of the mechanical properties under cryogenic temperature. This phenomenon is suppressed in the metastable 304L by triggering a martensitic phase transformation promoted under low temperature and happening deeper compared to room temperature, increasing substantially the subsurface hardness. Two metastable alloys (304L and 316L) were then selected to conduct an ultrasonic shot peening parametric study including the vibration amplitude (40 and 60 µm), the treatment duration (3 and 20 min) and temperature (room temperature, -80 and -130 °C). It has been shown that increasing the treatment energy by raising the vibration amplitude and/or the duration leads to an increase of the surface and subsurface hardnesses as well as the affected layer thickness. The use of cryogenic temperatures allows an additional increase of the hardness, especially in subsurface. By comparing the different hardness gradients with the martensite distributions along the hardened layers, a direct correlation with the hardening rate and the martensite fraction was observed. The initial stability of the treated material was also taken in account by carried out additional observations on the 316L having a higher stability. The results have indicated that the deformation temperature needs to be wisely chosen regarding the stability of the processed material in order to avoid a decrease of the subsurface hardness. Finally, the deformed microstructures generated under cryogenic ultrasonic shot peening were associated to the mechanical behaviors of cylindrical specimens using rotating bending fatigue tests. Compared to a room temperature treatment, a cryogenic peening allows a decrease of the surface roughness and the generation of higher surface compressive residual stresses by the formation of martensite. However, compared to a room temperature treatment, the fatigue behavior was not increased after a cryogenic peening because of a more pronounced surface residual stress relaxation and a reduction of the affected layer. However, the potential increase of the fatigue life after a cryogenic surface deformation was depicted by the study of the rupture surfaces. It was observed that, if the involvement of the surface defects introduced by the high surface roughness can be lowered, a single subsurface crack initiation can be produced increasing considerably the fatigue behavior of the processed material; La surface des pièces mécaniques est une zone sensible soumise à des conditions de sollicitations particulières, tant mécaniquement (frottement, contrainte maximale) que chimiquement (atmosphère ambiante, corrosion). Ainsi, la ruine des pièces de service est généralement initiée en surface ; les grands secteurs industriels sont donc à la recherche de solutions technologiques permettant une amélioration des propriétés mécaniques globales par une modification des propriétés de surface. De nombreuses techniques ont été développées dans ce but, notamment les traitements de surface mécaniques. Parmi ceux-ci, le grenaillage ultrasonique permet de déformer sévèrement et superficiellement les pièces par de nombreux impacts de billes ayant des trajectoires aléatoires au sein de la chambre de traitement. Le propos de cette étude repose sur l'analyse et la compréhension des microstructures de déformation induites par un traitement de grenaillage ultrasonique, particulièrement sous conditions cryogéniques ; sujet très peu exploré à ce jour voir nouveau concernant i) des métaux susceptibles de subir une transformation martensitique et ii) l'influence d'un tel traitement sur la tenue en fatigue cyclique. Pour ce faire, plusieurs nuances d'aciers inoxydables austénitiques présentant des stabilités différentes vis-à-vis de la transformation de phase ont été traitées à très basses températures et les propriétés obtenues ont été comparées à celles mesurées sur les échantillons traités à température ambiante. Les premières observations ont montré que, suite à un traitement sous condition cryogénique (-130 °C), une baisse de dureté intervient en sous-couche de l'alliage 310S stable, associée à une hausse des propriétés mécaniques sous basse température rendant le matériau plus difficile à écrouir. Ce phénomène est complètement supprimé au sein de l'alliage métastable 304L par une transformation martensitique facilitée, intervenant plus profondément qu'à température ambiante et entrainant une augmentation de la dureté de sous-couche. Deux alliages métastables (304L et 316L) ont donc été sélectionnés afin de détailler l'influence des paramètres de traitement sur le durcissement de sous-couche par une étude paramétrique comprenant l'amplitude de vibration (40 et 60 µm), la durée (3 et 20 min) ainsi que la température de traitement (ambiante, -80 et -130 °C). Il en ressort qu'augmenter l'énergie de traitent par une hausse de l'amplitude et/ou de la durée de grenaillage entraine une augmentation des duretés de surface et de sous-couche, accompagnée par la production de couches durcies plus épaisses. L'utilisation de températures cryogéniques permet une augmentation du potentiel de durcissement, et ce principalement en sous-couche. En associant les gradients de dureté aux distributions de martensite le long des épaisseurs affectées, il a été montré que la fraction de martensite était directement liée au potentielle de durcissement en profondeur. La fraction de martensite produite étant dépendante de la température de déformation et, afin de prendre en compte la stabilité initiale de l'alliage comme paramètre additionnel, des mesures complémentaires ont été faites sur l'alliage 316L plus stable. Les résultats ont alors montré qu'il est primordial d'adapter la température de traitement à la stabilité de l'échantillon afin d'optimiser l'efficacité du durcissement de sous-couche et éviter ainsi une baisse de la dureté en profondeur. Finalement, les structures de déformation obtenues sous condition cryogénique ont été reliées à la tenue mécanique sous sollicitations cycliques en flexion rotative. Comparé à un traitement réalisé à température ambiante, un grenaillage cryogénique permet une baisse la rugosité de surface et la production de contraintes résiduelles de compression plus élevées par la présence de martensite. Cependant, une plus grande relaxation de ces dernières associée à une réduction de la l'épaisseur durcie suite à traitement cryogénique n'ont pas permis d'augmenter la résistance à la fatigue en comparaison des éprouvettes traitées à température ambiante. Néanmoins, le potentiel d'un grenaillage ultrasonique sur l'amélioration de la tenue en fatigue à été mis en avant par l'étude des faciès de rupture. Un échantillon traité cryogéniquement et ayant présenté une faible durée de vie a montré un faciès de rupture comprenant de multiples amorces de fissures toutes localisées en surface. Comparativement, un seul site d'amorçage localisé en sous-couche a été observé sur une éprouvette ayant une durée de vie plus importante qu'un échantillon traité sous température ambiante. Ainsi, si l'implication des défauts de surface peut être limitée en diminuant d'avantage la rugosité de surface par une prolongation de la durée de traitement sous température cryogénique, l'amorce d'une fissure peut être repoussée en sous-couche prolongeant considérablement la durée de vie du matériau sollicité

The austenitic stainless steel AISI 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2) with controlled nitrogen content is widely used for manufacture of vessel and primary circuit structures of the 4th Generation sodium- cooled fast reactors. Multi-pass welds with an appropriate filler metal is used to assemble thick components. Solidification cracks may occur in the mushy zone near the melting weld poor during solidification when a liquid film is distributed along grains boundaries and interdendritic regions and the shrinkage strains across the boundaries cannot be accommodated. It is therefore necessary to prevent this defect using a hot cracking criterion. The approach used in this study is to initiate experimentally a hot crack by a weldability test, and then to simulate these tests to identify a critical strain using a hot crack criterion for the prediction of solidification cracking. Therefore, a hot cracking test (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) is proposed in the present study to analyze the susceptibility to hot cracking for base metal 316L(N) and its filler metal 19-15H Thermanit grade. This test is designed to initiate a hot crack in thermal steady state, and then to stop the crack once the local thermomechanical conditions are met. The initiation and stop of the crack depend on external mechanical preload. The material constitutive equations chosen for the material is a visco-plastic model with isotropic and kinematic hardening. The Gleeble thermomechanical tests have been performed at high temperature in order to identify material parameters. The increase of the grain size in the thermally affected zone was modeled and integrated into constitutive equations. The temperature range of melting and solidification of 316L(N) were determine by using the Differential Thermal Analysis (DTA). The analysis of the solidification microstructures were also carried out in order to better understand the phenomenon of hot cracking. Some CRW tests were then simulated by finite element method using the Cast3M and Abaqus software in order to valid the hot cracking criterion and to determine a thermomechanical criterion of hot cracking for 316L(N)., Le matériau principal de cette étude est l’acier inoxydable austénitique 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2 à teneur en azote contrôlée) envisagé dans la conception de la cuve et des structures du circuit primaire des futurs réacteurs de quatrième génération refroidis au sodium. Pour assembler des composants de forte épaisseur, il faut réaliser des soudages multipasses avec métal d'apport. Lors du soudage, il a parfois été constaté des défauts de fissuration à chaud de solidification au refroidissement dans la zone pâteuse, près du bain de fusion. Ces fissures sont des décohésions du matériau apparaissant à haut température le long des joints de grains lorsque la déformation dépasse un seuil critique. Il est donc nécessaire de prévenir ce risque en utilisant un critère de fissuration à chaud. L'approche utilisée dans cette étude est double : développer un essai de fissuration à chaud à chargement extérieur, puis simuler numériquement ces expériences pour déterminer un seuil critique en déformation en utilisant un critère proposé par Kerrouault. Une version améliorée d’un essai de fissuration à chaud (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) a été proposé dans cette étude afin d'analyser la susceptibilité à la fissuration de solidification du matériau 316L(N) et d’un métal d'apport de nuance Thermanit 19-15H. L'objectif de ce test est, en fonction de l'intensité du chargement extérieur, d'amorcer une fissure dans un régime thermique établi, puis d’arrêter la propagation de cette fissure si les conditions thermomécaniques locales sont remplies. Le modèle de comportement du matériau choisi est une loi élasto-visco-plastique à écrouissage mixte. Des essais thermomécaniques sur un simulateur Gleeble ont été réalisés à haute température afin d'identifier et d’améliorer la loi de comportement du matériau 316L(N). Le grossissement des grains dans la zone affectée thermiquement a été modélisé et intégré dans ce modèle. Les intervalles de fusion et de solidification du matériau 316L(N) ont été déterminés par des essais ATD (Analyse Thermique Différentielle). Des analyses des microstructures de solidification ont été également menées afin de mieux comprendre le phénomène de fissuration à chaud. Certains essais CRW ont ensuite été modélisés et simulés par éléments finis en utilisant les logiciels Cast3M et Abaqus afin valider le critère de fissuration à chaud et de déterminer un seuil critique de fissuration pour l'acier 316L(N).

The creep fracture of 316L(N) austenitic SSs has been studied both experimentally and theoretically for high temperatures and lifetimes up to nineteen years. For short term creep, experimental lifetimes are predicted by the necking model taking into account scatter in input parameters. The Riedel modeling of cavity growth by vacancy diffusion along grain boundaries coupled with continuous nucleation is then carried out. Lifetimes are predicted fairly well using this model for long term creep failure whatever the considered austenitic SSs and the applied temperature (525°C - 700°C). Taking into account low and high stress regimes of the Norton-power law, the Riedel model allows us to predict the creep lifetimes in agreement with literature results up to 25 years. No fitted parameter has been used as applying the Riedel model. But the cavity nucleation rate should be deduced from cavity density measurements using FEG-SEM observations. The intergranular cavitation occurs mainly at M23C6 carbides / austenitic matrix interfaces. That is why the effect of the heterogeneity of the microstructure at the matrix/precipitate interface stress concentrations is simulated by the finite element method (Cast3M software). It aims to determine the distribution of normal stress fields around precipitates and to predict the cavity nucleation rate. The features of the precipitates and the creep behavior of the austenitic matrix are both taking into account. Numerical simulations are in agreement with the observations of preferential sites cavitation.; L’endommagement de fluage des aciers 316L(N) a été étudié expérimentalement et théoriquement à des températures élevées et des temps à rupture jusqu'à dix-neuf ans. Pour le fluage à court terme, les durées de vie sont correctement prédites par le modèle de striction en tenant compte de la dispersion expérimentale. Le modèle de Riedel couplant croissance de cavités par diffusion lacunaire et germination continue est utilisé afin de prédire l’effet de l’endommagement intergranulaire sur la durée de vie des aciers 316L(N). Les durées de vie sont correctement prédites par ce modèle pour le fluage à long terme quelle que soit l'acier austénitique étudié et la température appliquée (525°C-700°C). En tenant compte du régime de vitesse basse contrainte de la loi de Norton, le modèle de Riedel permet de prédire la durée de vie de fluage jusqu'à 25 ans. Aucun paramètre ajusté n’a été utilisé dans le modèle de Riedel. Mais le taux de nucléation de cavités doit être déduit des mesures de densité de cavités à partir des observations MEB-FEG. La cavitation se produit principalement aux interfaces carbures M23C6 /matrice austénitique. L'effet de l'hétérogénéité de la microstructure sur les concentrations de contraintes à l’interface matrice/précipité est simulé par la méthode des éléments finis (logiciel Cast3M). Elle vise à déterminer la distribution des champs de contraintes normales autour de précipités et à prédire numériquement le taux de nucléation de cavités. Les caractéristiques des précipités et le comportement en fluage de la matrice austénitique sont conjointement pris en compte. Les simulations numériques sont en accord avec les observations de sites préférentiels de micro-cavitation.

This work deals with the microstructure evolution of austenitic stainless steels under irradiation and the consequences of this evolution on their behavior in PWR environment. 304L steel was proton-irradiated at 360°C to 5 and 10 dpa. Following these irradiations, IASCC was studied in a 350°C simulated primary water, with strain fields measurements using digital image correlation. In parallel, thin foils were irradiated in situ with Ni++ ions at 500°C up to 2 dpa with simultaneous helium implantation. These experiments allowed us (i) to have a better understanding of the key parameters responsible of the IASCC initiation in reducing environment thanks to the coupling between microstructure, mechanical fields and cracking (ii) to define the role of helium on the nucleation and evolution of radiation defects. It turns out that, in the studied conditions, the implantation of helium has only a limited effect on the dislocation loop and cavity populations for ratios lower than 800 appm He/dpa. Cavities were observed with and without helium, including in the grain boundaries which could be a factor of embrittlement. The stress corrosion cracking tests resulted in an increase of the crack density with the increase of the macroscopic deformation and in a bigger opening and on-surface propagation of cracks after a sequential loading. These cracks propagate deeply in the irradiated layer partly because of the overstress generated by the strong gradient of mechanical properties between the irradiated and non-irradiated zones of the material. The activated deformation mechanisms are complex and twinning was observed after 2 and 10% of macroscopic deformation. The deformation after irradiation is strongly localized in transgranular bands and around some grain boundaries, but it appears that the strong deformation around boundaries is not an initiation criterion. Deformation discontinuity on both sides of cracked boundaries is systematically observed and evaluation of the local stress state appears to be essential to describe IASCC initiation. This local stress state could be calculated by finite elements, taking into account the experimental results in terms of crystallographic orientation fields or Kinematics fields strong heterogeneity of local deformation quantified in this work.; Cette étude porte sur l'évolution de la microstructure des aciers inoxydables austénitiques sous irradiation et les conséquences de cette évolution sur leur comportement en milieu REP. Un acier 304L a été irradié aux protons à 360°C à 5 et 10 dpa. Suite à ces irradiations, la sensibilité du matériau à l'IASCC a été étudiée en milieu primaire simulé à 350°C, avec suivi par microextensométrie des champs locaux de déformation. Parallèlement à ce travail, des lames minces ont été irradiées in situ aux ions Ni++ à 500°C jusqu'à 2 dpa avec implantation simultanée d'hélium. Ces expérimentations nous ont permis (i) grâce au couplage microstructure /champs mécaniques /fissuration de mieux comprendre les paramètres responsables de l'amorçage de l'IASCC en milieu réducteur (ii) de définir le rôle joué par l'hélium sur l'évolution des défauts d'irradiation. Il s'avère que, dans les conditions d'étude, l'implantation d'hélium n'a qu'un effet limité sur les populations de boucles de dislocation et de cavités pour des rapports inférieurs à 800 appm He/dpa. Des cavités ont été observées avec et sans implantation d'hélium, y compris dans les joints de grains ce qui pourrait être un facteur de fragilisation. L'ensemble des essais de corrosion sous contrainte ont validé que la densité de fissures augmente avec l'augmentation du taux de déformation et qu'un chargement séquentiel conduit à une plus grande ouverture et propagation en surface des fissures. Ces fissures se propagent en profondeur dans la couche irradiée notamment du fait de la surcontrainte générée par le fort gradient de propriétés entre la zone irradiée et non irradiée du matériau. Les mécanismes de déformation activés sont complexes et du maclage a été observé après 2 et 10% de déformation macroscopique. La déformation après irradiation est fortement localisée sous forme de bandes intragranulaires et autour de certains joints de grains, mais la déformation de ces joints ne semble pas constituer un critère d'amorçage. L'absence de transmission de la déformation de part et d'autre des joints fissurés est par contre systématiquement observée et la connaissance de l'état de contrainte local s'avère indispensable pour décrire l'amorçage de l'IASCC en milieu réducteur. Une méthodologie basée sur l'exploitation des résultats expérimentaux (champs d'orientation cristallographique, champs cinématique) appliquée à une simulation aux éléments finis permet d'estimer l'état local de contrainte, seul à même de discriminer un critère d'ouverture de fissure.

During long-time neutron irradiation occurred in Pressurized Water Reactors (PWRs), significant changes of the mechanical behavior of materials used in reactor core internals (made of 300 series austenitic stainless steels) are observed, including irradiation-induced hardening and softening, loss of ductility and toughness. So far, much effect has been made to identify radiation effects on material microstructure evolution (dislocations, Frank loops, cavities, segregation, etc.). The irradiation-induced cavity swelling, considered as a potential factor limiting the reactor lifetime, could change the mechanical properties of materials (plasticity, toughness, etc.), even lead to a structure distortion because of the dimensional modifications between different components.The principal aim of the present PhD work is to study qualitatively the influence of cavity swelling on the mechanical behaviors of irradiated materials. A micromechanical constitutive model based on dislocation and irradiation defect (Frank loops) density evolution has been developed and implemented into ZéBuLoN and Cast3M finite element codes to adapt the large deformation framework. 3D FE analysis is performed to compute the mechanical properties of a polycrystalline aggregate. Furthermore, homogenization technique is applied to develop a Gurson-type model. Unit cell simulations are used to study the mechanical behavior of porous single crystals, by accounting for various effects of stress triaxiality, of void volume fraction and of crystallographic orientation, in order to study void effect on the irradiated material plasticity and roughness at polycrystalline scale.; Au cours d'une irradiation neutronique à long-terme dans les Réacteurs à Eau Pressurisée (REPs), une modification importante du comportement mécanique des matériaux utilisés dans les internes de cuve (composés des aciers inoxydables austénitiques de la série 300) est observée, y compris un durcissement et un adoucissement induit par irradiation, une perte de la ductilité et de la ténacité. Jusqu'à présent, beaucoup efforts ont été contribués pour identifier les effets d'irradiation sur l'évolution microstructurale du matériau (dislocations, boucles de Frank, cavités, ségrégation, etc.). Le gonflement induit par irradiation, considéré comme un facteur limitant la durée de fonctionnement des réacteurs, pourrait modifier les propriétés mécaniques des matériaux (plasticité, ténacité, etc), même conduire à une distorsion des structures du fait des modifications dimensionnelles entre les différentes composantes.L'objectif principal de ce travail de thèse est d'étudier qualitativement l'influence de l'effet du gonflement sur le comportement mécanique des matériaux irradiés. Un modèle micromécanique constitutif en grandes déformations basé sur les évolutions de la densité de dislocations et de défauts d'irradiation (boucles de Frank) est développé et implémenté dans les codes de calcul éléments finis ZéBuLoN et Cast3M. Les simulations numériques sont réalisées pour calculer les propriétés mécaniques d'un agrégat polycristallin. Par ailleurs, la technique d'homogénéisation est appliquée pour développer un modèle de type Gurson. Les simulations d'une cellule poreuse sont utilisés pour étudier le comportement mécanique des monocristaux poreux, en tenant compte des différents effets de la triaxialité, de la porosité et de l'orientation cristallographique, afin d'étudier l'effet de la présence des cavités sur la plasticité et la rugosité du matériau irradié à l'échelle polycristallin.

Austenitic stainless steels are widely used in primary circuits of Pressurized Water Reactors (PWR) plants. However, a limited number of cases of Intergranular Stress Corrosion Cracking (IGSCC) has been detected in cold-worked (CW) areas of non-sensitized austenitic stainless steel components in French PWRs. A previous program launched in the early 2000's identified the required conditions for SCC of cold-worked stainless steels. It was found that a high strain hardening coupled with a cyclic loading favoured SCC. The present study aims at better understanding the role of pre-straining on crack initiation and at developing an engineering model for IGSCC initiation of 304L and 316L stainless steels in primary water. Such model will be based on SCC initiation tests on notched (not pre-cracked) specimens under “trapezoidal” cyclic loading. The effects of pre-straining (tensile versus cold rolling), cold-work level and strain path on the SCC mechanisms are investigated. Experimental results demonstrate the dominating effect of strain path on SCC susceptibility for all pre-straining levels. Initiation can be understood as crack density and crack depth. A global criterion has been proposed to integrate both aspects of initiation. Maps of SCC initiation susceptibility have been proposed. A critical crack depth between 10 and 20 µm has been demonstrated to define transition between slow propagation and fast propagation for rolled materials. For tensile pre-straining, the critical crack depth is in the range 20 - 50 µm. Experimental evidences support the notion of a KISCC threshold, whose value depends on materials, pre-straining ant load applied. The initiation time has been found to depend on the applied loading as a function of (max/YV)11,5. The effect of both strain path and surface hardening is indirectly taken into account via the yield stress. In this study, material differences rely on strain path effect on mechanical properties. As a result, a stress high exponent has been identified which includes all micro-scale mechanisms leading to strain localisation at initiation sites., Les aciers inoxydables austénitiques de type 304L et 316L sont largement employés dans le circuit primaire des centrales nucléaires à Réacteurs à Eau sous Pression (REP). Le retour d'expérience indique la présence d'un nombre limité de fissures intergranulaires dues à la corrosion sous contrainte (CSC) sur des composants en acier inoxydable écroui. Il a été démontré qu'une pré-déformation importante associée à un chargement cyclique favorise la propagation des fissures de CSC. L'objectif de l'étude est d'améliorer la compréhension du rôle de la pré-déformation par traction ou par laminage sur les mécanismes d'amorçage de la CSC pour les aciers inoxydables austénitiques. Le comportement mécanique des matériaux écrouis a été caractérisé et des essais d'amorçage en milieu primaire simulé ont été réalisés sur des éprouvettes entaillées. L'ensemble des essais d'amorçage réalisés a confirmé un fort effet du trajet de chargement sur la sensibilité à l'amorçage des matériaux étudiés, quel que soit le niveau de pré-déformation. Un critère global a été proposé pour réunir les deux aspects de l'amorçage de la fissuration que sont la densité de fissures et leur profondeur. Ce critère est utile pour caractériser l'amorçage tandis que la profondeur maximale de fissure est le paramètre pertinent pour définir la transition entre propagation lente et propagation rapide. Des cartes de sensibilité à l'amorçage vrai ont été établies. Une profondeur critique de fissure de 10 à 20 µm a été déterminée pour les aciers 316L A et B pré-déformés par laminage. Elle est comprise entre 20 µm et 50 µm pour les matériaux pré-déformés par traction. Une ébauche de modèle d'ingénierie applicable aux aciers inoxydables austénitiques a été proposée : l'effet de la température est négligeable dans la gamme 290°C-360°C et l'impact de la contrainte sur le temps pour obtenir la transition varie comme (max/Rp0.2, T°C)11,5. L'effet du trajet de chargement ainsi que de l'écrouissage de surface dû à l'usinage sont intégrés indirectement à l'indice de contrainte, à ce stade du modèle. L'effet « matériau » observé dans cette étude tient principalement à l'effet du trajet de déformation. La puissance élevée de la dépendance à la contrainte traduit l'intégration de différents paramètres favorisant la localisation de la déformation. Pour cette raison, il sera nécessaire de définir le champ des contraintes locales pour parvenir à une modélisation plus physique.

The automotive industry requires increasingly steels with good combination of high strength and good formability. Unstable austenitic stainless steels combine these properties, making them very attractive. However, under specific conditions in the field of drawing, delayed cracking phenomenon can appears in this kind of steels. The aim of this work is the study of the delayed cracking phenomenon related to the martensitic transformation in the 301LN unstable austenitic stainless steel. For that, we divided this work into two parts: Thermomechanical Behaviour : This part deals with the characterization of martensitic transformation after uniaxial loading under different of temperature and strain rate conditions. The stress distribution between the phases, the martensitic transformation kinetics, and the evolution of crystallographic texture are determined by X Rays Diffraction (XRD) under uniaxial in-situ tensile tests. Multi-scales analysis of the delayed cracking phenomenon : study of the delayed cracking phenomenon are done on deep drawing cups. The identification of microstructural parameters which are responsible of crack initiation is realised by Scanning Electronic Microscopy (SEM). For different conditions of drawing, both, macroscopic residual stress and residual stress distribution between phases are determined and associated to the martensite content in the cups. Numerical simulations of deep drawing process are realised by implementation of two martensitic transformation models in the unstable austenitic steels. Numerical results are compared to our experimental results. We establish a relation between stress state in the martensite, volume fraction of formed martensite, and the delayed cracking phenomenon.; Dans un contexte de réduction de masse dans l'industrie automobile, les aciers austénitiques instables, grâce à l'excellent compromis de ductilité-résistance qu'ils présentent, peuvent apporter des solutions en termes d'allégement et de sécurité. Cependant, et sous certaines conditions de mise en forme, ces aciers peuvent présenter des problèmes de rupture différée. L'objectif de cette thèse est l'étude du phénomène de rupture différée associée à la transformation martensitique dans l'acier austénitique instable 301LN. Pour cela, nous avons divisé notre travail en deux grandes parties : Comportement thermomécanique : cette partie porte sur la caractérisation de la transformation martensitique après des essais de traction uniaxiale sous différentes conditions en température et en vitesse de déformation. La distribution des contraintes entre phases, la cinétique de transformation et l'évolution de la texture cristallographique sont suivies lors d'essais post mortem et in situ en diffraction des rayons X (DRX). Analyse multi-échelles de la rupture différée : l'observation et l'étude de la rupture différée sont réalisées sur des emboutis cylindriques à fond plat. L'identification des éléments microstructuraux à l'origine des fissures a été réalisée par observation au Microscope Electronique à Balayage (MEB) des zones de rupture. La distribution des contraintes résiduelles macroscopiques et dans chaque phase, a été déterminée et associée à l'évolution de la fraction volumique de martensite pour différentes conditions d'emboutissage. Des simulations numériques d'opération d'emboutissage, par implémentation dans le code de calcul éléments finis Abaqus©, de deux modèles de transformation martensitique dans les aciers austénitiques instables ont été effectuées et les résultats sont comparés avec les résultats expérimentaux. Nous établissons un lien direct entre l'apparition de la rupture différée, l'état de contrainte dans la martensite, et les fractions de martensite formée dans les godets emboutis.

The automotive industry requires increasingly steels with good combination of high strength and good formability. Unstable austenitic stainless steels combine these properties, making them very attractive. However, under specific conditions in the field of drawing, delayed cracking phenomenon can appears in this kind of steels. The aim of this work is the study of the delayed cracking phenomenon related to the martensitic transformation in the 301LN unstable austenitic stainless steel. For that, we divided this work into two parts: Thermomechanical Behaviour : This part deals with the characterization of martensitic transformation after uniaxial loading under different of temperature and strain rate conditions. The stress distribution between the phases, the martensitic transformation kinetics, and the evolution of crystallographic texture are determined by X Rays Diffraction (XRD) under uniaxial in-situ tensile tests. Multi-scales analysis of the delayed cracking phenomenon : study of the delayed cracking phenomenon are done on deep drawing cups. The identification of microstructural parameters which are responsible of crack initiation is realised by Scanning Electronic Microscopy (SEM). For different conditions of drawing, both, macroscopic residual stress and residual stress distribution between phases are determined and associated to the martensite content in the cups. Numerical simulations of deep drawing process are realised by implementation of two martensitic transformation models in the unstable austenitic steels. Numerical results are compared to our experimental results. We establish a relation between stress state in the martensite, volume fraction of formed martensite, and the delayed cracking phenomenon., Dans un contexte de réduction de masse dans l'industrie automobile, les aciers austénitiques instables, grâce à l'excellent compromis de ductilité-résistance qu'ils présentent, peuvent apporter des solutions en termes d'allégement et de sécurité. Cependant, et sous certaines conditions de mise en forme, ces aciers peuvent présenter des problèmes de rupture différée. L'objectif de cette thèse est l'étude du phénomène de rupture différée associée à la transformation martensitique dans l'acier austénitique instable 301LN. Pour cela, nous avons divisé notre travail en deux grandes parties : Comportement thermomécanique : cette partie porte sur la caractérisation de la transformation martensitique après des essais de traction uniaxiale sous différentes conditions en température et en vitesse de déformation. La distribution des contraintes entre phases, la cinétique de transformation et l'évolution de la texture cristallographique sont suivies lors d'essais post mortem et in situ en diffraction des rayons X (DRX). Analyse multi-échelles de la rupture différée : l'observation et l'étude de la rupture différée sont réalisées sur des emboutis cylindriques à fond plat. L'identification des éléments microstructuraux à l'origine des fissures a été réalisée par observation au Microscope Electronique à Balayage (MEB) des zones de rupture. La distribution des contraintes résiduelles macroscopiques et dans chaque phase, a été déterminée et associée à l'évolution de la fraction volumique de martensite pour différentes conditions d'emboutissage. Des simulations numériques d'opération d'emboutissage, par implémentation dans le code de calcul éléments finis Abaqus©, de deux modèles de transformation martensitique dans les aciers austénitiques instables ont été effectuées et les résultats sont comparés avec les résultats expérimentaux. Nous établissons un lien direct entre l'apparition de la rupture différée, l'état de contrainte dans la martensite, et les fractions de martensite formée dans les godets emboutis.

Austenitic stainless steels, ductile in air, present in a chloride medium hot a macroscopically fragile rupture, discontinuous and composed of crystallographic facets. The interpretation of the crystallographic nature of these facies is one of the keys to understanding stress corrosion damage mechanisms (csc). Also the first objective is to study in detail the microfractography on monolayers and polycrystals of type 316l steels solicited in mgcl # 2 medium at 117c free potential (= 4.10 # - # 7 s # - # 1). Two major types of fracture are observed: a very fragile rupture which underlines the possibility of the weakening of the interatomic bonds by the corrosive medium and a discontinuous fracture at the micron scale on the sliding planes, representative of the fractography observed on polycrystals. and that is in good agreement with the corrosion enhanced plasticity model. From the ideas of this model, the second objective of this work is the search for a parade to the CSC through a precracking before csc. Two types of pre-hardening are tested. The negative role of a monotonous deformation precoat is reaffirmed: the first cracks start very early and the speed of crack propagation is increased. This is explained by the corrosion enhanced plasticity model, through the intensification of local corrosion-deformation interactions. On the other hand, cyclic pre-quenching is particularly beneficial. The first microcracks begin much later and the stress levels at break are increased. The delay of the initiation of the first cracks is explained by a very homogeneous surface deformation structure which opposes a strong localization of the anodic dissolution. Finally, the dislocation structure created in saturation fatigue is a low energy planar structure that minimizes the corrosion-deformation interactions at the origin of the microcracking., Les aciers inoxydables austénitiques, ductiles à l'air, présentent en milieu chlorure à chaud une rupture macroscopiquement fragile, discontinue et composée de facettes cristallographiques. L'interprétation du caractère cristallographique de ces facies constitue une des clés de la compréhension des mécanismes d'endommagement en corrosion sous contrainte (csc). Aussi le premier objectif est d'étudier en détails la microfractographie sur mono et polycristaux d'aciers de type 316l sollicites en milieu mgcl#2 a 117c a potentiel libre ( = 4.10#-#7 s#-#1). Deux grands types de rupture sont observés : une rupture très fragile qui souligne la possibilité de l'affaiblissement des liaisons interatomiques par le milieu corrosif et une rupture discontinue à l'échelle du micron sur les plans de glissement, représentative de la fractographie observée sur polycristaux et qui est en bon accord avec le corrosion enhanced plasticity model. A partir des idées de ce modèle, le deuxième objectif de ce travail est la recherche d'une parade a la csc par le biais d'un préécrouissage avant csc. Deux types de préécrouissage sont testes. Le rôle négatif d'un préécrouissage en déformation monotone est réaffirmé : les premières fissures s'amorcent très tôt et la vitesse de propagation des fissures est augmentée. Ceci s'explique par le corrosion enhanced plasticity model, au travers de l'intensification des interactions corrosion-déformation locales. A l'inverse, un préécrouissage cyclique est particulièrement bénéfique. Les premières microfissures s'amorcent beaucoup plus tard et les niveaux de contrainte a rupture sont augmentés. Le retard de l'amorçage des premières fissures s'explique par une structure de déformation de surface très homogène qui s'oppose à une forte localisation de la dissolution anodique. Enfin la structure de dislocations créée en fatigue à saturation est une structure planaire de basse énergie qui minimise les interactions corrosion-déformation a l'origine de la microfissuration.