Rozprawy doktorskie na temat „Aciers anisotropes”

Cette étude concerne la déchirure ductile des aciers à haute limite d'élasticité utilisés pour la construction des gazoducs. La microstructure et la réponse mécanique de deux tôles et d'un tube en acier X100 (R=100ksi=690MPa) ont été étudiées. Ces matériaux possèdent une microstructure ferrito-bainitique. Le programme expérimental porte sur des éprouvettes lisses, des éprouvettes entaillées et des éprouvettes fissurées. Des éprouvettes de traction simple suivant trois directions principales ont été utilisées. Ces essais ont montré que les aciers étudiés présentent une forte anisotropie plastique. La limite d'élasticité des tôles se trouve au-dessous de la valeur requise pour l'acier X100. Ce n'est qu'après la production de tubes, qui implique une déformation plastique lors de la mise en forme, que l'acier atteint le grade X100. Les mécanismes de rupture sont étudiés par microcopie optique et électronique à balayage sur des coupes métallographiques et des examens fractographiques de l'ensemble des éprouvettes (traction, AE, Charpy V et CT). La naissance de l'endommagement se caractérise par la rupture ou la décohésion des sulfures de calcium et des nitrures de titane. Deux modes de coalescence sont observés~: la striction interne et la coalescence en bande. L'effet d'une pré-déformation sur les caractéristiques de traction et sur la ténacité est étudié en pré-déformant des barreaux de traction de 1. 6%, 3. 6% et 5. 9% de déformation plastique. Une pré-déformation provoque une augmentation de la limite d'élasticité et de la résistance à traction, mais diminue la ténacité du matériau. La propagation ductile dynamique sur de grandes distances (100 à 200mm) est étudiée à l'aide d'une expérience de rupture à grande vitesse (20 à 40m/s) de grandes tôles qui permet de reproduire la rupture par cisaillement observée lors de l'éclatement des pipelines. La résistance à la propagation sur de longues distances est évaluée par le taux de dissipation d'énergie. Nos essais réalisés sur les deux tôles confirment la tendance observée précédemment selon laquelle les structures ferrito-bainitiques permettent d'obtenir un bon compromis entre la ténacité et leur limite d'élasticité. La simulation par éléments finis de la déchirure ductile des tôles a été effectuée. Les simulations sont basées sur une extension du modèle Gurson-Tvergaard-Needleman incluant une représentation de l'anisotropie plastique et de la germination de cavités. Un nouveau critère de plasticité anisotrope récemment développé pour les alliages d'aluminium est utilisé. Les paramètres sont ajustés sur de petites éprouvettes. La transférabilité sur les grandes plaques en pleine épaisseur est vérifiée. Le modèle permet de représenter les caractéristiques principales des essais de déchirure ductile dynamique~: la courbe de chargement, la forme du front de fissure, le développement de la striction en pointe de fissure et le taux de dissipation d'énergie
This study concerns the ductile tearing of high-strength pipeline steels (X100). The microstructure and the mechanical response of two plates and a pipe are studied. The microstructure of these materials is mainly ferritic-bainitic. The experimental program includes smooth, notched and cracked specimens. The smooth tensile tests conducted along three principal directions reveal a strong anisotropy plastic effect. The yield strength of the plate is lower than the required value for grade X100 which is obtained on the pipe after UOE forming process. Metallographic and fractographic observations indicate the nucleation of voids around calcium sulfide or titanium nitride particles. Two modes are observed for void coalescence~: internal necking and void-sheet mechanism. The effect of a pre-strain on tensile characteristics and fracture toughness is studied. The flat blanks are subjected to tensile deformation in a servohydraulic testing machine. Pre-strains of 1. 6%, 3. 6% and 5. 9% are imposed through this process. The yield strength and ultimate tensile strength increase with pre-straining. The experimental investigations demonstrate also a significant effect of pre-strain on fracture toughness and stable crack growth resistance. These parameters decrease with pre-straining. The dynamic ductile crack propagation on long distance is studied by an original experiment performed on wide-plates. This experiment allows us to reproduce crack growth rate as long as 20-40m/s. The localisation of deformation resulting in dynamic shear fracture is reproduced as observed in pipeline burst. The resistance to fast crack propagation is evaluated quantitatively by energy dissipation rate. Our tests confirm the advantage of ferritic-bainitic steels for the yield strength-toughness compromise. Ductile tearing of wide-plates was simulated using FE method. The simulations are based on an extension of Gurson-Tvergaard-Needleman model which includes the description of plastic anisotropy and void nucleation. A new anisotropic yield function recently developed for aluminium alloys is used. The parameters are adjusted on small specimens. The model is then used to simulate the ductile tearing on a wide-plate. Main characteristics of ductile tearing tests are reproduced~: the loading curve, the shape of crack front, the development of thickness reduction and the energy dissipation rate

L'objet de ce travail est l'analyse experimentale et theorique en grandes deformations de l'ecrouissage isotrope et anisotrope des toles d'aciers laminees pour emboutissage profond. L'interet particulier porte sur l'influence de la morphologie et du degre d'anisotropie initiaux, ainsi que sur l'etude des essais hors-axes. Un programme experimental a ete developpe pour trois nuances d'acier, qui se distinguent par leurs textures morphologiques et par leur anisotropie initiales. Des methodes experimentales specifiques pour les essais hors-axes sur les materiaux anisotropes ont ete utilisees et developpees dans le souci permanent d'obtenir des donnees experimentales realistes et precises. Des essais sequentiels en traction-traction ont ete realises pour etudier la contribution des parametres suivants: grandeur et orientation de la predeformation, et orientation de la seconde traction simple. En fonction de ces parametres, les modules et les limites d'elasticite, les contraintes maximales, les deformations limites et les coefficients d'anisotropie, ainsi que les courbes d'ecrouissage sont presentes, mettant en evidence la complexite des phenomenes d'ecrouissage isotrope et anisotrope, l'influence de la morphologie et l'importance de l'anisotropie initiale. Les limites elastiques a 0. 2% de deformation irreversible sont modelisees correctement par le critere de plasticite propose par boehler, qui prend en compte l'orthotropie initiale et l'ecrouissage anisotrope. L'evolution du degre et du type de l'anisotropie est evaluee a l'aide de ce critere et par des parametres d'anisotropie definis de facon empirique

Dans le cadre de cette étude, l'influence de la pré-déformation sur l'anisotropie du comportement plastique et sur la ténacité d'un acier API X100 pour pipeline a été abordée. Une étude expérimentale approfondie de la microstructure, des propriétés mécaniques et de l'endommagement du matériaux a été mise en oeuvre. Un modèle phénoménologique anisotrope combinant les écrouissagesisotrope et cinématique a été développé dans l'objectif de rendre compte du comportement ductile de cet acier à haute résistance. De plus, un modèle d'endommagement anisotrope a été établi pour représenter l'effet de pré-déformation sur la ductilité et la ténacité de cet acier. L'application des modèles à la flexion sous contrainte illustre, par exemple, l'effet négatif de la pré-déformation sur la charge limite (Moment de flexion maximum) supportée avant flambement du pipe.

Le but de ce travail est d'étudier l'influence de la structure dendritique des soudures inoxydables anisotropes sur la propagation du faisceau ultrasonore. La bibliographie aborde les méthodes utilisées jusqu'à présent qui suivent toutes la même démarche : mesures de vitesses sur des échantillons de soudure, détermination de la surface des lenteurs. On montre alors que la vitesse, l'atténuation et la déviation du faisceau dépendent de l'angle entre l'axe des grains et le vecteur vitesse de phase. Dans tous les cas, le matériau est supposé homogène. Nous avons développé une méthode de mesures permettant de connaitre avec précision la répartition du champ ultrasonore dans l'acier. Une soudure anisotrope est découpée en secteurs semi-cylindriques possédant chacun une orientation dendritique spécifique. Des cartographies de la transmission du faisceau ultrasonore à travers ces échantillons sont effectuées. Le comportement du faisceau dans la soudure est bien mis en évidence. Une méthode de séparation entre le signal utile et le bruit de structure est présentée. Résultats : 1) la déviation du faisceau n'est pas mise en évidence. En revanche, le faisceau se divise quelle que soit l'orientation dendritique considérée. 2) la position des lobes ne varie ni avec la fréquence d'émission, ni avec le diamètre de l'émetteur. Cette division est probablement due à l'inhomogénéité du matériau. 3) des mesures de vitesses sur nos échantillons ont permis de calculer une déviation théorique du faisceau. Celle-ci est typique d'une soudure de structure orthotrope classique. La modélisation consiste à reproduire notre étude expérimentale à l'aide de codes de calculs utilisant la théorie de la propagation des ultrasons dans les matériaux homogènes orthotropes. La comparaison modèle-expérience n'est pas concluante. Nous avons mis en évidence la limitation des modèles actuels qui est l'homogénéisation du matériau.

Le renforcement par dispersion d'oxydes nanométriques permet, d'une manière générale, d'améliorer la résistance mécanique des matériaux métalliques. Il autorise donc une augmentation de leur température maximale d'utilisation. De nombreux travaux de recherche sont menés au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives sur les aciers ODS, pour Oxide Dispersion Strengthened steels. S'inscrivant dans le cadre du développement du nucléaire civil de quatrième génération, ces travaux ont pour but de qualifier un matériau pouvant être utilisé en tant que matériau de gainage combustible à une température de 650℃. Ce travail de thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des propriétés mécaniques des aciers ODS, en cherchant d'une part à caractériser et à modéliser leur comportement en fluage, et d'autre part à caractériser leur nisotropie de comportement et à en identifier l'origine. Pour cela, de nombreux essais mécaniques ont été effectués entre 20℃ et 900℃ sur une nuance d'acier ODS ferritique de composition nominale Fe-14Cr1W0,26Ti + 0,3Y2O3 . Cette nuance a été élaborée au CEA, par mécanosynthèse puis extrusion à chaud, sous la forme d'une barre ronde. Les résultats obtenus démontrent la grande résistance mécanique à haute température de l'acier ODS étudié. Ils mettent également en évidence une forte dépendance de la ductilité et de la résistance du matériau vis-à-vis de la vitesse de sollicitation. Sur la base des différentes caractérisations expérimentales réalisées, un modèle de comportement macroscopique uniaxial a été développé. S'appuyant sur la description de trois écrouissages cinématiques et d'un terme de restauration statique, ce modèle démontre une capacité remarquable à reproduire le comportement mécanique du matériau en traction, en fatigue, en fluage et en relaxation. Par ailleurs, la caractérisation de l'anisotropie mécanique de la nuance d'acier ODS étudiée s'avère dépendre de la température. Deux modélisations polycristallines différentes ont été mises en place afin de reproduire cette anisotropie de comportement à partir des textures cristallographique et morphologique du matériau. Le désaccord observé entre les prévisions de ces modèles et les résultats expérimentaux conduit à formuler d'autres hypothèses sur la déformation des aciers ODS.

La bonne ténacité des aciers pour gazoducs aux basses températures est nécessaire pour éviter la propagation de fissures de manière catastrophique. Cette étude vise à améliorer la compréhension physique et l'évaluation quantitative du comportement à rupture des aciers pour gazoducs laminés à chaud, en nous intéressant plus particulièrement aux températures au pied de la transition ductile-fragile .La résilience de ces aciers est généralement validée à l'aide d'essais dits drop weight tear tests (DWTT), après lesquels le faciès de rupture doit contenir moins de 15% de zone fragile. Pour les aciers mis en forme par laminage thermomécanique (TMCP), des ruptures fragiles hors plan, comme le délaminage (qui se propage dans le plan de laminage de la tôle), et la rupture fragile en biseau le long des plans dits thêta (inclinés de 40° autour de la direction de laminage par rapport au plan de laminage) apparaissent dans la transition ductile-fragile. Ces modes de rupture, observés lors des essais de résilience (DWTT, Charpy) et de ténacité (CT), affectent la résistance à la rupture de ces aciers.L'anisotropie de l'écoulement plastique, puis celle de la sensibilité à la rupture par clivage ont été caractérisées en fonction de la température, à l'aide d'essais de traction sur des éprouvettes lisses et entaillées conçues pour cette étude. L'analyse mécanique de ces essais à l'aide de calculs par éléments finis a permis de déterminer des contraintes critiques de clivage dans les directions perpendiculaires au plan de laminage et aux plans thêta. Les valeurs obtenues dans ces directions sont de 25% inférieures à celles correspondant aux directions de laminage et travers long.L'anisotropie de la contrainte critique de clivage a été quantitativement corrélée à l'anisotropie de microtexture du matériau. Des entités appelées « facettes de clivage potentielles » ont été définies et mesurées dans cette étude, comme des régions contenant un plan {100} défavorablement orienté et dans lesquelles les fissures de clivage se propagent sans être arrêtées. Par exemple, un plan contenant 20% de facettes de clivage potentielles aurait une contrainte critique de clivage de 20% moins élevée qu'un plan présentant seulement 10% de facettes de clivage potentielles.La taille et la forme de ces facettes de clivage potentielles évoluent avec la déformation plastique. Par conséquent, la contrainte critique de clivage est affectée par l'historique de déformation. Dans le cas du délaminage, les facettes de clivage potentielles s'allongent au cours d'un chargement dans la direction travers long, conduisant à une augmentation de leur taille effective et par conséquent à une diminution (qui peut atteindre 30%) de la contrainte critique de clivage dans le plan de la tôle. Cette diminution facilite in fine l'apparition du délaminage. De plus, la présence de micro-fissures ductiles facilite la rupture par délaminage en modifiant l'état de contrainte local. Un critère a ainsi été proposé pour prédire numériquement l'amorçage du délaminage dans des éprouvettes de traction et/ou de résilience Charpy.L'application de cette approche à des échantillons traités thermiquement et à des échantillons pré-déformés a montré que la sensibilité au délaminage pouvait être contrôlée en modifiant la texture locale initiale du matériau
High toughness of pipeline steels at low temperature is required to avoid catastrophic propagation of brittle crack. The aim of the study is to improve physical understanding and quantitative assessment of the toughness behavior of hot-rolled pipeline steels, focusing on the lower part of the ductile to brittle transition temperature range.The impact toughness of these steels is commonly validated using drop weight tear tests (DWTT), on the basis of fracture surfaces that must exhibit less than 15% of brittle fracture appearance. In thermomechanical control processed steels, brittle out-of-plane cracks such as delamination (which propagates along the rolling plane), and brittle tilted fracture (BTF) along theta-planes (tilted around RD by 40° with respect to rolling plane), have been characterized in the ductile to brittle transition temperature range, for both industrial (DWTT) and laboratory Charpy impact tests. In both cases, as well as in fracture toughness tests, such brittle out-of-plane cracking has been shown to impair the impact toughness.The anisotropy in plastic flow and sensitivity to cleavage fracture has been characterized as a function of temperature, by using tensile tests on specifically designed smooth and notched specimens. From finite element mechanical analysis of these tests, critical cleavage stresses normal to the rolling plane and the theta-plane are considerably lower (around 25%) than for planes normal to the rolling and transverse directions.The anisotropy in critical cleavage stress has been quantitatively correlated to microtexture anisotropy. So-called “potential cleavage facets” have been defined and measured in this study, as regions with unfavorably oriented {100} planes, which are taken as unit crack paths for cleavage propagation. A sample containing 20% of potential cleavage facets had a critical cleavage stress 20% lower than a sample with only 10% of potential cleavage facets.The size and shape of these potential cleavage facets evolve during plastic deformation. Therefore, the critical cleavage stress was found to be affected by plastic strain history. In the case of delamination, potential cleavage facets along the rolling plane were elongated during loading, their area was increased and the corresponding critical cleavage stress decreased by around 30% with respect to the undeformed case. This made delamination cracking easier. Moreover, the presence of a ductile crack at the initiation site of delamination locally modified the stress state and also facilitated delamination occurrence. A criterion has been developed to numerically predict the onset of delamination in tensile and Charpy specimens.Application of this approach to heat-treated and to prestrained specimens eventually showed that it was possible to modify the sensitivity to delamination by strongly modifying the initial microtexture anisotropy

Cette thèse traite de l'anisotropie des bétons renforces de fibres courtes en acier (brf). L'intérêt de l'apport de fibres courtes en acier dans du béton réside dans l'augmentation de la ductilité qui en résulte. Cette ductilité est contrôlée par différents paramètres en particulier deux paramètres qui ont fait l'objet de notre étude: la fraction volumique de fibres et leur positionnement au sein de la matrice. Un modèle micromécanique développe dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles est propose pour décrire le comportement des brf en traction et en flexion. L'avantage d'une telle approche est qu'elle permet de choisir les variables d'état d'un point de vue moins phenomenologique et de calculer de façon exacte l'énergie stockée. L'identification du modèle se fait sur un brf a 0,3% pour des fibres orientées a 0 par rapport a la direction de chargement, via un essai particulier de traction permettant d'obtenir un endommagement diffus appelée essai p. I. E. D. Des validations sur des matériaux dont la fraction volumique ou l'orientation des fibres différent sont menées via l'essai p. I. E. D. Notons que le modèle pre-cite a été adapte afin de dépouiller les résultats expérimentaux issus de cet essai. Enfin une validation sur structure est réalisée via un essai de flexion 3 points sur un brf à 0,3% et 0

L’objectif de ce travail est de développer une modélisation prédictive du comportement et de la rupture ductile des matériaux métalliques à anisotropies initiales et induites par l’endommagement. La thermodynamique des processus irréversibles est utilisée comme cadre pour la formulation proposée. Le modèle de comportement est élastoplastique anisotrope avec écrouissage non linéaire isotrope et cinématique en grandes déformations plastiques, avec une théorie non associée à normalité associée, basée sur des normes de contraintes quadratiques. L’endommagement ductile anisotrope est décrit par un tenseur du second ordre symétrique dont l’évolution est décrites par des relations de type Lemaitre-Desmorat. Le couplage fort comportement-endommagement est réalisé dans le cadre de l’hypothèse de l’équivalence en énergie totale où l’effet de l’endommagement sur le comportement est introduit par un tenseur « effet d’endommagement » d’ordre quatre symétrique de type Murakami. Après une caractérisation expérimentale des mécanismes physiques de l’endommagement dans l’acier AISI 316L, le modèle de comportement avec endommagement a été identifié. Une fois discrétisé et implémenté dans le code de calcul de structures ABAQUS/Explicit®, une étude paramétrique et de nombreuses simulations numériques de l’endommagement anisotrope en mise en forme de quelques structures ont été réalisées et discutées en détail
The objective of this work is to develop a predictive modeling of behavior and ductile fracture of metallic materials with initial anisotropy and induced by the ductile anisotropic damage. Thermodynamics of irreversible processes is used as a framework for the proposed formulation. The model is anisotropic elastoplastic with non-linear isotropic and kinematic hardening under large plastic strains. It is formulated in the framework of the non-associative plasticity theory with associative normality rule and based on quadratic equivalent stress. The anisotropic ductile damage is described by a symmetric second-rank tensor whose evolution is described by Lemaitre /Desmorat type relationships. The strong damage-behavior coupling is done under the assumption of total energy equivalence where the effect of the anisotropic damage is introduced by a fourth-rank symmetric damage-effect tensor of Murakami kind.After an experimental characterization of the main physical mechanisms of anisotropic damage in stainless steel AISI 316L, the behavior model with damage has been identified. Once discretized and implemented in the computer code ABAQUS / Explicit ®, a parametric study and many numerical simulations of anisotropic damage in some metal forming processes have been carried out and discussed in detail

Le comportement plastique de trois aciers d'emboutissage est étudie par des essais de traction simple, de cisaillement simple monotones et bauschinger, et en trajets séquences de cisaillement simple traction simple notamment. L'anisotropie initiale et induite est mise en évidence. Un modèle macroscopique général de comportement rigide plastique en grandes transformations est présent. On adopte le critère de plasticité quadratique de Hill et une loi d'écoulement non associée, a potentiel quadratique orthotrope. L'écrouissage est isotrope et cinématique (a saturation), et on utilise une loi d'évolution du repère d'orthotropie. Trois modèles simplifies en sont dérives pour être identifies a partir des résultats expérimentaux obtenus

La réaction sulfatique interne (RSI) est une pathologie conduisant au gonflement et à la dégradation du béton de certains ouvrages. En tant que gestionnaire d'ouvrages, VINCI doit assurer la sécurité des usagers et des biens. Pour cela, une évaluation de l'aptitude au service des ouvrages concernés est nécessaire. Ce travail a pour but d'améliorer la modélisation des phénomènes mécaniques induits par la formation d'ettringite différée, notamment sous contrainte. Une campagne expérimentale a été réalisée sur éprouvettes prismatiques en béton réactif libres de contraintes, armées uniaxialement, armées triaxialement et soumises à un chargement uniaxial de compression de 14,5 MPa. Les phénomènes expansifs sont relativement isotropes en l'absence de contraintes et atteignent 0,6 % en fin de réaction. Le bridage induit par la présence des armatures conduit à une diminution importante des déformations dans les directions concernées, sans impact majeur sur le gonflement dans les directions libres : les déformations du béton initiées par la RSI sont de fait anisotropes sous chargement anisotrope. Une fissuration préférentielle est observée parallèlement à la direction gênée. L'application d'un chargement uniaxial de compression à hauteur de 14,5 MPa entraine un raccourcissement du béton dans la direction chargée, les déformations de fluage masquant les éventuelles expansions. La décharge de ces corps d'épreuve après environ 420 jours d'immersion a provoqué une reprise des gonflements de l'ordre de 0,10 % en 3 jours dans la direction chargée, sans effet visible dans les autres directions. Au cours des 200 jours suivants, des gonflements longitudinaux et transversaux similaires en termes de cinétique et d'amplitude ont été observés. Ce phénomène a été attribué au renouvèlement de l'eau de conservation ayant eu lieu au moment de la décharge, en particulier à une réaccélération du lessivage des alcalins. L'endommagement induit par la RSI sur le béton a été caractérisé par le biais d'essais de compression, traction par fendage et mesures de module d'Young avant et après gonflement. [...]
Delayed ettringite formation is a pathology leading to swelling and degradation of the concrete of certain structures. As structure manager, VINCI must ensure the safety of users and goods. To do so, an assessment of the serviceability of affected structures is necessary. This work aims to improve the modeling of mechanical phenomena induced by delayed ettringite formation, especially under stress. An experimental campaign was carried out on prismatic reactive concrete specimens. Some were plain, uniaxially reinforced, triaxially reinforced and subjected to an uniaxial compressive loading of 14.5 MPa. Expansions appeared fairly isotropic in stress-free conditions and reached 0,6 %. Restraint due to reinforcements led to decreased strains in the restrained directions. Expansions were only slightly impacted in transversal free directions. Therefore, DEF expansion under uniaxial stress is anisotropic. Cracks were observed parallel to the restrained direction. For prestressed concrete, creep strains hid possible strains induced by DEF. These specimens were unload after 420 days of immersion in water. It led to a strain increase of about 0,10 % in 3 days in the loaded direction, without any effect on transversal directions. Similar kinetic and range of expansion was measured in both longitudinal and transversal throughout the 200 following days. This phenomenon was understood as the consequence of an alkali leaching acceleration after storage water renewal that occurred during specimens unloading. DEF induced damage on concrete was characterize through compressive tests, brazilian tensile tests and Young modulus measurements before and after expansions. DEF effect on steel-concrete bond behavior was also measured through pull-out tests. Maximal steel-concrete bond stress appears slightly impacted by longitudinal expansions of about 0.25 %, but the bond shear modulus decreases significantly after DEF. All collected experimental data were used to fit a poromechanical model of DEF taking into account all the phenomena involved in the of reinforced concrete behavior (plasticity, damage, creep, shrinkage, distributed reinforcements...). [...]

Récemment, les gestionnaires de réseau et de système de transmission, comme le Réseau européen des gestionnaires de réseau de transport d'électricité (ENTSO-E), mettent en place des réglementations pour étendre la plage de fonctionnement des équipements connectés au réseau électrique. Les principaux objectifs de ces modifications sont : d'augmenter la flexibilité du réseau en le rendant capable de supporter des variations de fréquence et de tension (dues aux modifications de l'équilibre des puissances active et réactive) et de faciliter l'intégration et la production d'énergie renouvelable. Cependant, de nombreux équipements installés et raccordés au réseau n'ont pas été conçus pour être exploités dans ces plages de fonctionnement et leur utilisation dans ces conditions peut avoir un impact négatif sur le cycle de vie des équipements, en particulier dans les turbo-alternateurs.Les grands turbo-alternateurs, utilisés pour la production d'électricité dans les centrales nucléaires et hydroélectriques, sont impactés par ces nouvelles réglementations. Cet impact est particulièrement observé aux extrémités de ces machines électriques où les pertes fer sont susceptibles d'augmenter significativement. Ces pertes peuvent entraîner des échauffements, notamment des points chauds, qui peuvent conduire à la fusion de l’isolation entre les tôles du noyau du stator, provoquant ainsi des courts-circuits et des dommages irréversibles à l'équipement. Afin de pouvoir analyser et limiter l'impact des mécanismes physiques mis en jeu, la société EDF s’appuie sur des simulations numériques tridimensionnelles de la machine électrique pour calculer les pertes pour différents régimes de fonctionnement.Une partie de ce travail a déjà été réalisée au laboratoire L2EP, où le logiciel d'analyse par éléments finis code_Carmel a été adapté pour le calcul des pertes dans le noyau du stator et des pertes joule dans les modèles tridimensionnels. Cependant, la complexité physique des propriétés des circuits magnétiques aux extrémités des turbo-alternateurs doit être prise en compte pour obtenir des résultats fiables. En effet, compte tenu du schéma tridimensionnel du chemin du flux magnétique et des propriétés fortement anisotropes du circuit magnétique en acier électrique à grains orientés (GO), la description des pertes fer nécessite des modèles de matériaux magnétiques anisotropes précis combinés à une modélisation numérique efficace.Dans le cadre de ce travail de thèse, des modèles anisotropes dédiés aux aciers GO, notamment pour décrire la loi de comportement et les pertes fer, ont été étudiés puis implémentés dans un environnement de simulation par éléments finis (FEM) au sein du logiciel code_Carmel. La mise en œuvre a été validée par rapport à des données expérimentales obtenues sur un acier GO de qualité industrielle conventionnelle généralement utilisée dans les turbo-alternateurs. De plus, un démonstrateur expérimental a été développé pour étudier plus finement le comportement magnétique d'un empilement de tôles GO soumis à des excitations de flux magnétique 3D non conventionnelles. Un modèle numérique du démonstrateur expérimental a été développé et étudié, incluant les modèles de matériaux anisotropes, en comparant le comportement global du matériau GO ainsi que les pertes de fer dans l'échantillon d'intérêt.Les résultats montrent que, dans des configurations d'attaque de flux magnétique non conventionnelles, en particulier avec une attaque de flux magnétique normale au plan de laminage, les caractéristiques anisotropes de l’acier GO peuvent influencer la distribution du flux magnétique dans l'empilement de tôles étudié ainsi que les pertes de fer associées. Notamment, et comme attendu, les pertes par courants de Foucault classiques constituent la contribution majeure aux pertes fer dans l’empilement de tôles étudiées
Recently, network and transmission system operators like the European Network of Transmission System Operators of Electricity (ENTSO-E) have started to create regulations to extend the range of operation of the equipment connected to the electrical grid. The main purposes of these changes are: to increase the flexibility of the grid by making it able to withstand variations of frequency and voltage (due to alterations in the active and reactive power balance), and to ease the integration of renewable energy generation. However, many of the installed equipment connected to the grid have not been conceived to be exploited in these operating ranges and their use under these conditions will have a negative impact, especially on the turbo-generators life cycle.Large turbo-generators, used for the generation of electricity in nuclear and hydroelectric power plants, are affected by these new regulations. This impact is especially evident at end-regions of these electrical machines, where the iron losses are likely to increase significantly. These losses can lead to overheating, in particular hot points which can lead to the melting of the insulation layers between the lamination of the stator core, causing short-circuits and irreversible damage to the equipment. To be able to analyze and limit the impact of the involved physical mechanisms, the EDF Company works with tridimensional numerical simulations of the electrical machine to calculate the losses under different regimes of operation.Part of this work has already been realized in the L2EP laboratory, where the finite element analysis software code_Carmel have been adapted for the calculation of core losses and joule losses in tridimensional models. However, the physical complexity of the magnetic circuit properties at the end-regions of turbo-generators must be accounted for, in order to have reliable results. Indeed, considering the tridimensional pattern of the magnetic flux path and the strongly anisotropic properties of the magnetic circuit made from grain oriented electrical steel (GOES), the description of the iron losses requires accurate anisotropic magnetic material models combined with an efficient numerical modelling.In the framework of this PhD work, anisotropic GOES models, related to the behavior law and iron losses, have been studied and successfully implemented in a finite element method (FEM) simulation environment within the software code_Carmel. The implementation has been validated against experimental data achieved on an industrial conventional GO grade typically used in turbogenerators. Also, an experimental demonstrator has been developed to investigate more closely the magnetic behavior of a lamination stack made of GOES under non-conventional 3D magnetic flux excitations. A numerical model of the experimental demonstrator has been developed and studied with the implemented material models by comparing the global behavior of GOES as well as the iron losses in the sample of interest.The results show that under non-conventional magnetic flux attack configurations, especially with a magnetic flux attack normal to the lamination plane, the anisotropic characteristics of the GOES can influence the magnetic flux distribution within the lamination stack and the associated iron losses. In particular, the classical eddy current losses constitute, as expected, the most significant contribution of the total iron losses in the GOES laminations

Thesis (Ph.D.); Submitted to the University of California at Berkeley, Berkeley, CA (US); 1 Sep 2003.
Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "LBNL--55023" Li, Liang-shi. USDOE Director. Office of Science. Office of Basic Energy Sciences (US) 09/01/2003. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Les matériaux métalliques de structure tels que les aciers, les alliages base titane, les superalliages base nickel utilisés dans les domaines de l'aéronautique, de l'énergie ou encore de l'automobile doivent être capables de résister à des sollicitations mécaniques sévères notamment de type fatigue dans des environnements agressifs. L'endommagement du à la fatigue se localise généralement en surface des matériaux. Il est donc souvent impératif d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques de leur surface pour répondre au mieux aux exigences multiples qu'imposent les conditions de leur mise en service. Dans ce contexte, le PHYMAT a développé un ensemble de dispositifs d'élaboration originaux utilisant des ions de basse, moyenne ou haute énergie ainsi que des plasmas qui permettent de modifier les propriétés de surface des matériaux massifs ou d'élaborer des revêtements. En particulier, il a été mis au point des procédés de nitruration utilisant des ions de basse énergie : implantation-diffusion d'azote basse énergie-flux élevé et de nitruration plasma permettant d'introduire à température modérée (300-400°C) des atomes d'azote en solution solide de très fortes concentrations (20-25at%) sur des profondeurs particulièrement importantes (3-20μm). Les investigations dans le domaine de la fatigue misent en oeuvre par le LMPM ces dernières années sur des matériaux traités en surface montrent que des améliorations remarquables de durée de vie peuvent être obtenues y compris lorsque le traitement ne concerne qu'une épaisseur de l'ordre ou inférieure au micromètre. Ces résultats laissent penser que le procédé de nitruration plasma proposé permettrait alors d'améliorer les propriétés en fatigue de ces matériaux. En outre ce traitement présente le double avantage de pouvoir réaliser une nitruration des aciers inoxydables ce qui n'était pas possible auparavant et de pouvoir traiter des formes complexes non planes. Les résultats concernant la nitruration d'un acier inoxydable austénitique polycristallin de type 316L par ce procédé de nitruration plasma particulier ont permis de mettre en évidence différents phénomènes induits en surface. En particulier des effets importants de rotations cristallographiques des grains de surface ont été relevés conduisant à la création d'une texture de surface. Ces résultats ont été analysés à partir de mesures obtenues par EBSD sur de larges zones (LMPM). On montre notamment une tendance forte à la réorientation des grains vers les directions <111> et <001>. Ce processus s'accompagne de plasticité sous la forme de bandes de glissement et a même localement pour conséquence des phénomènes d'endommagement. Ces processus sont en grande partie dus à la dilatation des grains de surface lors de l'insertion d'azote en grande concentration pendant le traitement. L'étude des systèmes de glissement activés a permis de remonter en partie aux sollicitations mécaniques en surface dues au traitement (contrainte de compression résiduelle, dilatation normale à la surface). Il a été montré que le « gonflement » est directement lié à l'orientation cristallographique des grains (couplage EBSD - profilomètre optique interférométrique du LMS). Les expériences de diffraction des rayons X réalisées au PHYMAT ont permis de connaître plus précisément la structure de la zone nitrurée. Du coté des propriétés mécaniques, ont à pu mettre en évidence par des séries d'essais mécaniques de fatigue oligocyclique sous déformation plastique imposée (LMPM), une augmentation considérable des propriétés en fatigue (durée de vie multiplié par 3 fois sous forte déformation plastique imposée). Les nombreux essais menés au cours de l'année 2009 ont permis de montrer par leurs analyses que l'amélioration des propriétés en fatigue est directement liée aux contraintes de compression dans la couche nitrurée. Plus les contraintes de compression dans la couche sont élevées, plus la durée de vie en fatigue est importante. Ce résultat est remarquable en ce qui concerne la fatigue des aciers nitrurés. Le lien entre les modifications de la structure en surface du matériau et les conséquences sur l'amélioration en fatigue a été fait.

Cette thèse porte sur la modélisation par éléments finis des procédés de mises en forme à froid, que sont le tréfilage et le laminage. Tout d'abord le comportement mécanique des aciers haut carbone a été mesuré grâce à une large campagne d'essais expérimentaux tout au long de cette gamme de mise en forme et une progressive anisotropie mécanique a été observée au cours du tréfilage. Puis, la simulation numérique du tréfilage et du laminage a été réalisée à l'aide de FORGE2005®. Le résultat principal concerne la prédiction de l'élargissement en fin de laminage qui est très imprécise avec une loi isotrope (sous estimation de la largeur de 10%). Cette sous-estimation passe à 5% avec une loi de comportement anisotrope. Ensuite, une troisième partie a porté sur l'étude microstructurale couplée à une analyse des mécanismes d'endommagement des aciers perlitiques au cours du tréfilage et du laminage. L'anisotropie mécanique provient de l'alignement des colonies de perlite au tréfilage et par l'apparition d'une orientation cristallographique préférentielle. Trois mécanismes d'endommagement ont pu être identifiés au cours du tréfilage. Lors du passage au laminage, les cinétiques de propagation de l'endommagement sont modifiées. La simulation a permis d'apporter des informations supplémentaires et de valider les observations expérimentales. Enfin, des calculs d'optimisation du tréfilage ont été effectués et ont permis d'étudier la sensibilité des fonctions objectifs (endommagement et force de tréfilage) aux paramètres d'optimisation (géométrie de filière). De plus, cette étude a mis en évidence que les solutions optimales diffèrent en fonction du choix de la fonction coût et qu'il est possible de diminuer l'endommagement sans trop augmenter la force de tréfilage et le risque de rupture
This thesis deals with the numerical simulation of cold forming processes, i. E. Wire drawing and rolling. First, high carbon steel mechanical behaviour was measured from experiments throughout this range of steel forming and a progressive mechanical anisotropy has been observed during drawing. Secondly, numerical simulations, with FORGE2005®, have been run to simulate the material behaviour during wire drawing and rolling. The main results show that the widening prediction, with an isotropic behaviour law, is not accurate with an underestimation of 10% on the total width. This underestimation is only 5% when an anisotropic behaviour is used. Then, a microstructural study coupled with an analysis of damage mechanisms was done on high carbon pearlitic steels during wire drawing and rolling. The mechanical anisotropy comes from the orientation of the pearlitic colonies in the drawing, and by the emergence of a preferential crystallographic texture. Three damage mechanisms have been identified during drawing. During rolling, damage expansion kinetics are changed because of heterogeneous strain. Simulation enabled to bring further information and to validate previous experimental observations. Finally, drawing optimization calculations have been performed and enabled to study the sensitivity of the cost functions (damage and drawing force) to optimization parameters (drawing die geometry). Moreover this study highlighted that optimal solution depends on the choice of the cost function and identified an opportunity to reduce damage by reducing the die angle without increasing the axial stresses and the fracture risk

Cette thèse porte sur la prédiction du phénomène de striction localisée lors de la simulation d'opérations de mise en forme de produits minces. Une première partie expérimentale a permis la détermination des caractéristiques d'anisotropie et d'écrouissage de trois matériaux (acier doux, aluminium et acier inox) grâce à des essais de traction. Des essais d'emboutissage analysés grâce à un système de mesure de déformations par corrélation d'images ont également permis d'obtenir leurs courbes limites de formage. Des adaptations du code de calcul Forge3® ont été réalisées afin de pouvoir simuler des opérations de mise en forme sur des produits minces. Les principales modifications ont porté sur le maillage-remaillage (utilisation de tétraèdres 3D) ainsi que l'implantation de deux modèles de comportement élasto-plastiques anisotropes (Hill quadratique 1947 et Barlat non-quadratique 1991) dans une formulation 3D. Leur intégration est réalisée grâce à un schéma implicite. En troisième lieu, différents critères mathématiques permettant de prédire les instabilités plastiques et le phénomène de striction localisée ont été étudiés. Les résultats analytiques obtenus avec deux critères choisis dans la littérature sont présentés et discutés (méthode de perturbation et critère de force maximum modifié). Le couplage entre un de ces critères et les résultats fournis par le code Forge3® ont ensuite permis de prédire l'apparition de la striction localisée ainsi que les zones critiques lors d'opérations d'emboutissage simulées. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont également présentées. La dernière partie de ce travail a porté sur le développement d'un modèle élasto-piastique polycristallin. Ce modèle utilise un algorithme de plasticité muiti-surface afin de calculer le comportement de chaque maille cristalline. La réponse mécanique du polycristal est ensuite calculée grâce à un schéma de Taylor. Des comparaisons ont été effectuées avec I'expérience en termes d'évolutions de textures sur des pièces embouties. Le couplage de ce modèle polycristallin avec un modèle à 2 zones (approche de type Marciniak-Kuczynski) a enfin permis de prédire la courbe limite de formage d'un aluminium.

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

Cette thèse porte sur la modélisation par éléments finis des procédés de mises en forme à froid, que sont le tréfilage et le laminage. Tout d'abord le comportement mécanique des aciers haut carbone a été mesuré grâce à une large campagne d'essais expérimentaux tout au long de cette gamme de mise en forme et une progressive anisotropie mécanique a été observée au cours du tréfilage. Puis, la simulation numérique du tréfilage et du laminage a été réalisée à l'aide de FORGE2005®. Le résultat principal concerne la prédiction de l'élargissement en fin de laminage qui est très imprécise avec une loi isotrope (sous estimation de la largeur de 10%). Cette sous-estimation passe à 5% avec une loi de comportement anisotrope. Ensuite, une troisième partie a porté sur l'étude microstructurale couplée à une analyse des mécanismes d'endommagement des aciers perlitiques au cours du tréfilage et du laminage. L'anisotropie mécanique provient de l'alignement des colonies de perlite au tréfilage et par l'apparition d'une orientation cristallographique préférentielle. Trois mécanismes d'endommagement ont pu être identifiés au cours du tréfilage. Lors du passage au laminage, les cinétiques de propagation de l'endommagement sont modifiées. La simulation a permis d'apporter des informations supplémentaires et de valider les observations expérimentales. Enfin, des calculs d'optimisation du tréfilage ont été effectués et ont permis d'étudier la sensibilité des fonctions objectifs (endommagement et force de tréfilage) aux paramètres d'optimisation (géométrie de filière). De plus, cette étude a mis en évidence que les solutions optimales diffèrent en fonction du choix de la fonction coût et qu'il est possible de diminuer l'endommagement sans trop augmenter la force de tréfilage et le risque de rupture.

Dans les polycristaux, la localisation de la déformation plastique pendant des opérations de mise en forme, est considérée comme le résultat de grandes déformations et ou le résultat de changements de trajets. Un tel mode de déformation hétérogène a pour effet d'augmenter la ductilité du matériau puis de conduire à la rupture. Afin de déterminer, les mécanismes gouvernant la localisation des acier doux polycristallins, deux changements de trajets ont été testés, correspondant à une traction plane suivie par un essai de traction simple parallèle et orthogonal à la première sollicitation. Le phénomène de localisation est analysé à une échelle macroscopique, mesoscopique et microscopique grâce à différentes techniques telles que des textures locales (EBSD) et de la microextensométrie par microgrilles. Les observations sous MEB et les champs locaux de déformation montrent que les macrobandes se propagent par l'activation de deux familles de courtes bandes de glissement. Ces diverses expériences associées à des observations en microscopie électronique en transmission montrent que la localisation est liée à l'anisotropie de la microstructure. A l'opposé, la post bifurcation peut être corrélée à la texture et à l'adoucissement microstructural qui permet de grandes déformation sans augmentation de la densité de dislocation. Une simulation de processus de localisation par éléments finis est alors proposé. Le polycristal est alors décrit par un motif représentatif réel constitué de 114 grains six fois juxtaposés. Une loi découlement viscoplastique et une loi d'écrouissage basée sur une matrice d'écrouissage dont les termes dépendent explicitement de la densité de dislocation de chaque système de glissement sont introduites. Un tel modèle permet de rendre compte de l'anisotropie et de l'évolution de la microstructure mais aussi de permettre de grandes déformations couplées à une densité de dislocation saturée. Le résultat des simulations est une description précise de la localisation dans les grains du polycristal comme une fonction de l'orientation et du taux de prédéformation.

This numerical investigation of an advanced Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model is an extension of the original work of Ben Bettaieb et al. (2011). The model has been implemented as a user-defined material model subroutine (VUMAT) in the Abaqus/explicit FE code. The current damage model extends the previous version by integrating the three damage mechanisms: nucleation, growth and coalescence of voids. Physically based void nucleation and growth laws are considered, including an effect of the kinematic hardening. These new contributions are based and validated on experimental results provided by high-resolution X-ray absorption tomography measurements. Also, the numerical implementation of the kinematic hardening in this damage extension has obliged to readapt the classical triaxiality definition. Besides, a secondary fracture initiation criterion based on the ultimate average inter-cavities distance has been integrated to localize and quantify with good accuracy the strain distribution just before the material fails apart. The current damage model is applied in industrial conditions to predict the damage evolution, the stress state and the fracture initiation in various tensile thin flat sheet geometries and the cross-die drawing tests.

La principale plage de progression des performances magnétiques des aciers magnétiques FeSi est à l'heure actuelle la texture de ces matériaux. Il est alors important de savoir évaluer l'intérêt de telle ou telle texture pour l'électrotechnique, afin de connaître les marges de progrès existant encore dans la conception de différents dispositifs et d'estimer par là même s'il est intéressant ou non de mettre au point métallurgiquement telle texture. Le travail présenté a pour ambition de mettre en place un tel outil intégré d'étude et d'évaluation d'une texture, relativement aux contraintes du génie électrique: dans ce but nous nous sommes appliqués à l'étude et l'évaluation de la texture "cubique" {100}<001>. La synthèse métallurgique de cette texture a été obtenue à partir d'un procédé associant laminage croisé, énergie de surface et aluminium. L'étude a naturellement montré que cette association permettait d'obtenir une forte texture {100} même avec de fortes vitesses de montée en température. Après un passage nécessaire par une caractérisation magnétique 2D, un modèle d'aimantation anisotrope et anhystérétique a été élaboré pour rendre compte du comportement magnétique des tôles texturées. Enfin l'introduction de matériaux texturés dans les dispositifs électrotechniques a été étudiée sur la base
Currently, the principal range of improvement in the magnetic performances of SiFe magnetic steels is found in the texture of these materials. It is therefore important to know how to evaluate the interest of a given texture for use in electrical engineering in order to know the margines of progress still existing in the design of different devices, and also to estimate if it is interesting or not to metallurgically develop such a texture. The present work aims to set up a tool integrated to study and evaluate a texture, relative to the constraints of electrical engineering. Towards this goal we have focused on the study and evaluation of the "cubic" texture {100}<001>. The metallugic synthesis of this texture was obtained from a procedure which associates cross rolling, surface energy and aluminium. The study showed that this association obtained a strong {100} texture even with quick rises in temperature. After a necessary phase of 2D magnetic characterization, a model of anisotropic and non hysteretic magnetization was elaborated to find the magnetic behavior of textured sheets. Finally, the introduction of such textured materials into electrical devices was studied, based on electromagnetic modeling software well adapted to the description of anisotropy

Metastable austenitic stainless steels feature an abundance of different deformation mechanisms, which contribute to the distinguished mechanical properties of these alloys. However, these properties are known to depend on the local microstructure and also are highly anisotropic. Furthermore, deformation is expected to be different for the bulk and the surface of a sample. In this sense, a discrete study is not trivial. The present work aims at investigation of the main deformation mechanisms and their gradual evolution, by employing controlled deformation of individual austenite grains via monotonic and cyclic nanoindentation. The corresponding loading–unloading curves have given extensive information about underlying mechanical properties, which could be related to an exhaustive reconstruction of the deformation substructure, both in surface and bulk, by different small scale characterization techniques. Amongst others, features such as time-dependent deformation, reversible phase transformation under load, crystalline anisotropy and grain size influences, besides plasticity transmission and fatigue behavior have been found and analyzed.
Los aceros inoxidables austeníticos metaestables pueden experimentar una amplia gama de mecanismos de deformación diferentes, los cuales contribuyen a sus extraordinarias propiedades mecánicas. Sin embargo, estas propiedades dependen de la microestructura y son altamente anisotrópicas. Además, la deformación es diferente en la superficie y en el interior de una muestra. Por lo tanto, un estudio detallado no resulta trivial. El objetivo de este trabajo es el estudio de los principales mecanismos de deformación, así como de su desarrollo gradual. Para ello se han realizado ensayos de nanoindentación, tanto monotónica como cíclica, los cuales han permitido la deformación controlada de granos austeníticos preseleccionados. Las curvas de carga y descarga de los ensayos de nanoindentación han proporcionado amplia información sobre el comportamiento mecánico del acero, la cual se ha podido correlacionar con la reconstrucción detallada de las subestructuras de deformación, tanto a nivel superficial como en el interior, la cual se ha llevado a cabo mediante técnicas de caracterización a escala microscópica. Entre otros, se encontraron y estudiaron fenómenos como las transformaciones de fase reversibles bajo carga, la influencia tanto de la anisotropía cristalina como del tamaño de grano, mecanismos dependientes del tiempo, junto con la transmisión de plasticidad y la respuesta a fatiga.
Les aciers inoxydables austénitiques métastables sont le siège de différents mécanismes de déformation qui sont à l'origine des propriétés mécaniques qui distinguent ce type d’alliages. Cependant, ces dernières, dépendant de la microstructure locale, sont fortement anisotropes. Par ailleurs, la déformation d'un échantillon massif serait différente de celle obtenue en surface. De ce fait, une étude détaillée trouve tout son intérêt. Le présent travail vise donc à identifier les principaux mécanismes de déformation et de leur évolution progressive, en se basant sur une déformation contrôlée de grains austénitiques individuels par des tests mécaniques de nanoindentation monotoniques et cycliques. Les courbes correspondantes au chargement-déchargement révèlent des informations détaillées sur les propriétés mécaniques sous-jacentes qui pourraient être liées à une étude complète de la structure de déformation en surface et en volume par différentes techniques de caractérisation à une échelle très fine. La déformation en fonction du temps, les phénomènes de transformation de phase réversible sous charge, l'anisotropie cristalline, l'influences de la taille des grains, la transmission de la plasticité et la tenue en fatigue ont été mis en évidence et étudiés.

Le procédé de soudage laser est largement utilisé dans les travaux d'assemblage, en particulier, dans ledomaine de l'industrie automobile. L'acier dual phase DP600 est un acier à haute résistance qui permet deréduire le poids de l'automobile dans le cadre de l'allègement des structures. Notre travail s' estessentiellement basé sur l'évaluation des contraintes résiduelles générées dans l'acier DP600 lors du soudagepar laser. Deux approches ont été réalisées. L'approche expérimentale a été réalisée à l'aide de méthodes derayon X et par neutrons pour calculer les contraintes résiduelles. L'approche de simulation a été réalisée parcouplage de différentes formulations numériques.Numériquement, le formalisme de la mécanique continue a été utilisé par des simulations par éléments finis(FEM) pour analyser et évaluer les contraintes résiduelles. Sur la base de tests de traction expérimentaux, lemodèle constitutif élasto-thermo-plastique de l'acier DP600 a été identifié. L'écrouissage du matériau a étéétudié par la loi de Ludwik et de Voce. A partir de résultats experimentaux, un modèle a été proposé et lesrésultats analysés en utilisant une loi de mélange martensite (écrouissage Ludwik) et ferrite (adoucissementde Voce). De même, nous avons étudié la sensibilité à la température en utilisant plusieurs modèles :Johnson-Cook, Khan, Chen. A partir de cette étude, nous avons proposé un modèle de sensibilité à tatempérature. Enfin, un modèle de sensibilité à la déformation plastique, à la vitesse de déformation issu destravaux d'A.Gavrus et un modèle d'anisotropie planaire définit par la théorie de Hill ont été ajoutés.Une méthode d'automate cellulaire (CA) 2D a été programmée pour simuler l'évolution de la microstructurelors de la solification liée au processus de soudage laser. Dans ce modèle, les phénomènes de nucléationavec prise en compte de l'orientation de la croissance, de la concentration et de la vitesse de croissance àl'interface solide/liquide, l'anisotropie de la tension de surface, de la diffusion, ainsi que la fraction desphases en présence ont été pris en compte. De plus, les équations de conservation ont été étudiées en détail etanalysés. Les résultats ainsi que le champ de température issu du modèle FEM ont été importés dans lemodèle CA. En comparant la simulation et les résultats expérimentaux, de bonnes concordances ont ététrouvées.Par la suite, nous avons réalisés un couplage des deux modèles CA et FEM. Concernant le procédé laser, lesrésultats du modèle par éléments finis ont été analysés. La géométrie de l'échantillon, la source de chaleur,les conditions aux limites, le comportement thermo-mécanique de l'acier dual phase DP600 telles que laconductivité, la densité, la chaleur spécifique, l'expansion, l'élasticité et la plasticité sont introduites. Lesmodèles d'analyse du terme d'écrouissage, de la sensibilité à la vitesse de déformation, de la sensibilité à latempérature, de l'anisotropie plastique et de l'anisotropie élastique ont été simulés. Les fractions volumiquesconcernant ta nature des deux phases en présence ont été également étudiées.Les résultats numériques finaux tes contraintes résiduelles ont été étudiées. Les comparaisons avec desmesures experimentales ont montré à la fois quels phénomènes étudiés sont prépondérants et tes effets moinsinfluents sur l'évaluation des contraintes résiduelles. Les résultats tes plus probants ont montré des bonnesconvergences entre l'approche numérique et expérimentale. Ces résultats confortent la robustesse du modèlenumérique developpé
Laser welding process is widely used in assembly work of automobi le industry. DP600 dual phase steeis a high strength steel to reduce automobile weight. Residual stresses are produced during laser weldingDP600. Continuum mechanics is used for analyzing res idual stresses by finite element simulation.Based on experimental tensile tests, the DP600 steel constitutive model are identified. The hardening termaccording to Ludwik law, Voce law and a proposed synthesis model are studied. The temperature sensitivityof Johnson-Cook, Khan, Chen and a proposed temperature sensitivity model are investigated. The strain ratesensitivity model proposed by A. Gavrus and planar anisotropy defined by Hi ll theory are also used.Cellul ar Automaton (CA) 20 method are programed for the simulation of solidification microstructureevolution during laser welding process. The temperature field of CA are imported from finite element analysimodel. The analysis function of nucleation, solid fraction, interface concentration, surface tension an isotropy,diffusion, interface growth ve locity and conservation equations are presented in detail. By comparing thesimulation and experimental results, good accordances are found.Modelling by a finite element method of laser welding process are presented. Geometry of specimen, heatsource, boundary conditions, DP600 dual phase steel material properties such as conductivity, density, specifiheat, expansion, elasticity and plasticity are introduced. Models analyzing hardening term, strain ratesensitivity, temperature sensitivity, plastic an isotropy and elastic an isotropy are simulated.The numerical results of laser welding DP600 steel process are presented. The influence of hardening term,strain rate sensitivity, temperature sensitivity and anisotropy on residual stresses are analyzed. Comparisonwith experimental data show good numerical accuracy.Keywords: Laser Welding, DP600, Residual Stress, Cellular Automaton, Hardening, Temperature sensitivity,Strain Rate Sensitivity, Anisotropy, Mixture dual phase law

Les premiers stades d'endommagement par fatigue au sein des matériaux métalliques polycristallins sont pilotés par les champs mécaniques locaux se développant à l'échelle des grains en surface. La formation de bandes de glissement persistantes est souvent à l'origine des fissures de fatigue. Cette localisation de la plasticité cyclique apparaît au sein de grains d'un polycristal dans lequel les champs de contraintes élastiques peuvent être fortement hétérogènes en fonction de la microstructure granulaire et de l'anisotropie élastique cristalline. La majeure partie de ce travail est consacrée à évaluer puis à analyser statistiquement les champs de contraintes au sein des grains de surface de polycristaux. Ce travail s'est concentré sur la réponse élastique des matériaux considérés afin d'étudier l'activation du glissement plastique et sa variabilité, puis, de façon un peu moins directe, ses conséquences vis-à-vis de la formation des fissures de fatigue. La méthodologie retenue est basée sur la simulation numérique en champs complets par éléments-finis de la réponse élastique d'un ensemble d'agrégats polycristallins dont les orientations cristallographiques sont tirées aléatoirement.Deux matériaux très différents du point de vue de l'élasticité cristalline et des systèmes de glissement ont été choisis comme support de l'étude. Le premier est l'acier inoxydable austénitique 316L à structure cubique à faces centrées et le second l'alliage de titane TA6V à structure hexagonale compacte. Les distributions de la cission résolue au sein d'ensembles de grains de surface, par classe d'orientation, sont analysées en relation avec les configurations cristallographiques locales afin d'identifier celles qui favorisent - ou au contraire inhibent - l'activation du glissement plastique. Les résultats obtenus, dans le cas du TA6V, suggèrent notamment une activation plus précoce et importante du glissement basal devant le glissement prismatique. De plus, la stratégie de simulation a été adaptée pour rendre compte de la présence de zones texturées appelées « macrozones » dont l'influence sur l'activation de plasticité peut être qualitativement prédite. L'activation du glissement dans le TA6V est également étudiée expérimentalement par la réalisation d'un essai in situ sous MEB où la précocité du glissement basal est constatée.Cet essai a également permis de caractériser la cinétique d'activation des différents types de glissements. Ces données, couplées aux statistiques des cissions simulées, permettent une estimation de la cission résolue critique sur les 2 types de glissement
The first stages of fatigue damage in metallic polycrystalline materials are governed by local mechanical field at the grain scale. Fatigue crack initiation is often related to the emergence of persistent slip band at surface.Localization of cyclic plasticity occurs within grains of polycristals in which elastic stress field can be highly heterogeneous due to the granular microstructure and crystalline anisotropic elasticity. The main goal of this study is to evaluate and analyse statistically the stress fields in surface grains of polycristals. In this work, the elasticregime only is considered in order to study the subsequent activation of plastic slip and its variability. The possibleconsequences regarding crack formation are also addressed but in a lesser extent. The methodology is based on fullfield finite element numerical simulation of the elastic response of a set of polycrystalline aggregates in which grains orientation is chosen randomly.The two materials chosen for this study exhibit different characteristics regarding crystal elasticity and slip systems.The first one is an austenitic stainless steels 316L (face centered cubic) and the second one a titanium alloy TA6V(hexagonal close packed). The distribution of resolved shear stress within several sets of surface grains, for different classes of crystal orientation, are analysed in relation to local crystallographic configurations in order to identify those which promote - or prevent from - plastic slip activation. For TA6V, the results suggest in particular that basal slip is activated earlier than prismatic slip. In addition, the simulation strategy has been modified tomodel the presence of some sharp band-like crystallographic textures named “macrozones” whose influence has been qualitatively predicted. Plastic slip activation in TA6V is also studied experimentally. In situ tensile test using SEM has shown the earlier activation of basal slip. Experimental data has been combined with simulated distribution of resolved shear stress in order to estimate the critical resolved shear stress of basal and prismatic slip systems