Дисертації з теми "Métaux – Défauts – Simulation, Méthodes de"

Cette thèse propose un cadre multiéchelle pour modéliser de manière continue les structures de cœur des défauts cristallins, tels que les dislocations et les joints de grains, ainsi que leurs interactions élastiques et les énergies de cœur associées, en combinant des approches atomistiques et de mécanique des milieux continus. L'idée centrale de cette étude est de transformer les structures atomiques de coeurs des défauts en champs continus de densités de dislocations, tout en préservant les détails atomistiques essentiels. L'approche développée repose sur un modèle micromécanique récent basé sur la mécanique des champs de dislocations qui utilise le tenseur de densité de dislocation de Nye, dérivé des données atomistiques, pour modéliser les champs mécaniques à courte et longue portée associés à ces défauts. La méthode a été appliquée avec succès à des dislocations vis compactes dans le tungstène, issues de simulations extit{ab initio}, ainsi que sur des joints de grains dans le cuivre, simulés par statique moléculaire. Cette approche s'est révélée capable de reproduire remarquablement les vecteurs de Burgers et les champs mécaniques des défaut, démontrant l'absence de perte significative d'information au niveau des cœurs des défauts. Il a été possible de reproduire des joints de grains de tout angle de désorientation en utilisant une densité équivalente de dislocations, tout en capturant les champs élastiques continus. Par ailleurs, cette étude a permis d'intégrer les champs élastiques et les densités de dislocations dans des fonctionnelles énergétiques basées sur le tenseur de Nye, typiquement utilisées au sein de modèles de plasticité à gradient, afin d'évaluer leur contribution respective à l'énergie totale des joints de grains. Nous avons ainsi analysé et discuté les formes de fonctionnelles pertinentes pour ces modèles énergétiques, en explorant l'origine physique du paramètre de longueur interne inhérent à ces fonctionnelles, et sa dépendance aux types de joints de grains, aux structures atomistiques, et à l'échelle de résolution spatiale. Cette formulation nous a permis d'établir des corrélations entre les structures atomiques des joints de grains et les énergies de cœur, apportant des perspectives nouvelles pour la compréhension et la modélisation des défauts cristallins dans les matériaux polycristallins
This thesis proposes a multiscale framework aimed at providing a continuous representation of the core structures of crystalline defects, such as dislocations and grain boundaries, as well as their elastic interactions and associated core energies, by combining atomistic and continuum mechanics approaches. The central idea of this study is to transform the atomic core structures of defects into continuous fields of dislocation densities, while preserving the essential atomistic details. The approach developed relies on a recent micromechanical model based on field dislocation mechanics, , which uses the Nye dislocation density tensor, derived from atomistic data, to reproduce the short and long-range mechanical fields associated with these defects. The method has been successfully applied to compact screw dislocations in tungsten, derived from extit{ab initio} simulations, as well as to grain boundaries in copper, simulated by molecular statics. This approach is capable of remarkably reproducing Burgers vectors and defect mechanical fields, demonstrating the lack of any significant loss of information at defect cores. It was possible to reproduce grain boundaries of any misorientation angle using an equivalent density of dislocations, while capturing the continuous elastic fields. Furthermore, this study enables to integrate elastic fields and dislocation densities into Nye tensor-based energy functionals, typically used within strain gradient plasticity models, in order to assess their respective contribution to the total energy of grain boundaries. We analyzed and discussed the relevant forms of energy functionals, explored the physical origin of the internal length parameter inherent to these functionals, and its dependence on grain boundary types, atomistic structures, and spatial resolution scale. This formulation enables to establish correlations between grain boundary atomistic structures and core energies, providing new insights into the understanding and modeling of crystal defects in polycrystalline materials

RÉSUMÉ : Le but de cette thèse est d’étudier en ab initio l’influence des solutés hydrogène ou oxygène sur les défauts étendus dans le titane alpha. Les résultats sont divisés en trois parties. Dans la première partie le site interstitiel octaédrique du Ti-alpha est trouvé être le site énergétiquement le plus favorable pour un H ou un O. Les calculs avec différentes concentrations en H ou O montrent que la présence d’H augmente le volume tandis que O a un effet inverse. La présence d’H en soluté diminue légèrement les constantes élastiques, la présence d’O a un effet opposé. Deux nouvelles SF sont trouvées dans la deuxième partie : une faute 0,57·(c+a) dans le plan π2 et 0,215·[1-102] dans le plan π1. La deuxième est reliée à la faible énergie de formation de la macle {10-11}. Un mécanisme de dissociation triple du cœur de la dislocation vis c+a est proposé. Mais cette dissociation ne semble pas se produire spontanément à partir d'un cœur de dislocation initialement parfait. Puisque la ségrégation à la faute signifie une diminution de l’énergie de faute, nous déduisons de nos calculs de ségrégation que la présence d'O rend sans doute la formation des SF énergétiquement plus difficile, contrairement au cas d’H. H ségrége fortement au cœur d’une dislocation vis a, avec une énergie variant de 0,06 à 0,30 eV, tandis que O y segrége très difficilement. Positionnés dans les sites les plus internes du cœur d’une dissociation prismatique métastable, en glissement, H et O induisent une dissociation dans le plan π1 ou vers une configuration prisme-π1 mélangée. Les barrières d'énergie de Peierls mesurées avec H et O dans différents sites et avec différentes concentrations montrent que H rend le glissement de la dislocation plus difficile, augmentant ainsi sans doute la cission critique résolue dans le plan prismatique, ce qui est en accord avec les mesures expérimentales. Mais les effets de H ne sont pas assez grands pour induire un glissement dévié vers le plan π1 et la dislocation continuera à glisser dans un même plan prismatique. Avec un O, la barrière d'énergie de Peierls est extrêmement élevée, beaucoup plus que celle pour un glissement dans le plan π1 ou un glissement dans le plan prismatique le plus proche. Du glissement dévié devrait ainsi être induit. Finalement, trois méthodes différentes de déformations de macles sont utilisées. Les stabilités structurale des joints de macles dépendent de leurs caractères structuraux intrinsèques mais aussi des modes de déformation appliqués. La macle la plus observée, {10-12}, et la macle {11-22} ne résistent pas à une déformation de plus de 1% ou 2% selon l’axe c. La présence de H ou O ségrégés améliorent la stabilité des macles {10-12} et {11-22}. Un modèle de dipôle de dislocations de mâclage (TD) est proposé pour permettre de simuler une TD dans une super-cellule de petite taille. Pour {10-12} et sa TD, les énergies de ségrégation de H et O mesurées au niveau du joint permettent de valider ce modèle. H et O peuvent se distribuer de manière plus ou moins homogène au joint et niveau de la TD mais pas dans les sites interstitiels de la couche atomique liée à la TD
ABSTRACT: The aim of this thesis is to study the influence of hydrogen or oxygen solutes on extended defects in alpha titanium by ab initio calculation. Results are divided into three parts. In a first part the octahedral interstitial site of alpha-Ti is found energetically more favorable for a H or an O atom. The presence of H increases the volume while O has the opposite effect. The presence of H slightly decreases the elastic constants of alpha-Ti while O has an opposite effect. In a second part two new SFs are found: 0.57·(c+a) on π2 and 0.215·[1-102] on π1 plane. The second one is related to the low formation energy of the {10-11} twin boundary. A c+a screw dislocation 3-part dissociation mechanism is proposed. However the c+a screw core tends to spread differently according to the initial core position and a complete 3-part dissociation is not found, which may mean that such a dissociation is not easily obtainable from an initially perfect dislocation core. As segregation to SF means a decrease of the SF energy, the presence of O may make the SF formation energetically more difficult, contrary to H case. H strongly segregates to the a screw dislocation core region with segregation energies varing from 0.06 to 0.3 eV while O hardly segregates to it. Both H and O in core sites change the meta-stable gliding prismatic dissociation to π1 plane or a prism-π1 plane mixed configuration. According to our measurements of Peierls energy barriers with H or O in different sites and concentrations, H makes the gliding more difficult, thus increasing the CRSS in prismatic plane, in agreement with experimental measurements. The effect of H is not big enough to induce a cross-slip of the gliding a-screw dislocation to the π1 plane and that screw will prefer to keep on gliding in its same prismatic plane. The Peierls energy barrier is extremely increased when an O is present in the core position, much higher than the barrier for π1 plane glide or a glide in the nearest prismatic plane. A cross-slip could happen in this case. In the last part, three different deformations are applied to TBs. Their structural stabilities depend not only on their intrinsic characters at the atomistic level but also on the deformation mode applied. {10-12}, {11-22} TB structures fail for deformations as low as 1% or 2% along the c-axis. The {11-21} and the {10-11} TBs are much more resistant. The presence of segregated H and O enhances the {10-12} and {11-22} TB limited stability. A twinning disconnection dipole model is proposed which allows the simulation of a TD in a size limited supercell. Segregation energy calculations with the {10-12} TB and its TD validate the model at the TB level and show that H and O should distribute more or less homogeneously to the TD core and the TB, with only a slight preference to the TD core although not at the interstitial sites of the atomic layer related to the disconnection step itself

Cette thèse a été réalisée au sein du laboratoire GMMS à l’Université de Reims Champagne Ardenne. Elle s’inscrit dans le cadre du contrat de Plan Etat-Région « Simul-Endo » sur la simulation de l’emboutissage par Approche Inverse (AI) et Approche Pseudo Inverse (API) par éléments finis. Lors de la mise en forme de pièces minces et plus généralement de pièces mécaniques, les matériaux sont soumis à de grandes déformations irréversibles (de plusieurs dizaines de pourcents), au contact et au frottement entre pièces et outils ainsi qu’au transfert thermique entre pièces et outils. Ces grandes déformations (visco)-plastiques génèrent souvent des micro-défauts surfaciques ou volumiques qui se développent ensuite dans la pièce. L’évolution de ces défauts, au cours de la mise en forme, conduit à la formation de fissures macroscopiques pouvant être soit immédiatement visibles; impliquant la perte de celle-ci avant son utilisation, soit volumiques et non visibles rendant ainsi dangereuse la mise en service. La simulation numérique des procédés de mise en forme doit donc être en mesure de permettre à l’ingénieur de prévoir la possibilité d’apparition de zones endommagées dans la pièce au cours du déroulement du procédé virtuel. Cela lui permettra alors d’arrêter la simulation numérique (souvent coûteuse en temps de calcul en 3D) et d’agir sur les paramètres technologiques pertinents du procédé afin d’obtenir une pièce saine. L’objectif principal de cette thèse est la mise au point d’outils théoriques et numériques destinés à la simulation de l’emboutissage des tôles minces en vue d’optimiser la fabrication en tenant compte de l’endommagement
The present thesis has been carried out in the labaratory GMMS of Reims University, Champagne Ardenne. It was in the contract of the State-Region Plan « Simul-Endo » on sheet forming simulation using Inverse Approach and Pseudo-Inverse Approach by the FEM method. In the sheet forming process and more generally for mechanical pieces, the material is under grand irreversible deformation with the contact and the friction as well as the thermic transfer between the pieces and the tools. The grand (visco)- plastic deformations often generate the surfacic or volumic micro-defaults that develop then in the work-piece. The development of these defaults during the sheet forming causes the creation of the macroscopic crack that can be immediately visible or volumic and non-visible that make therefore the application dangerous. The numeric simulation of the sheet forming process must allow the engineer to anticipate the apparition possibility of the dammaged zone in the work-piece during the virtuel process. This will then allow to stop the numeric simulation (often expensive in terms of the computation time in 3D) and play on the technologic parameters of the process in order to obtain a good work-piece. The main objective of the present thesis is to applicate the theoric and numeric tools in the simulation of thin sheet forming in order to optimize the fabrication in considering the dammage

Dans ce travail, nous avons amélioré un modèle de diffusion des défauts ponctuels (lacunes et interstitiels) en introduisant les hétéro-interstitiels. Ce modèle permet ainsi de simuler par Monte Carlo cinétique (MCC) la formation d’amas riches en solutés observés expérimentalement dans des alliages modèles ferritiques irradiés de type Fe – Cu MnNiSiP – C.Des calculs de structure électronique nous ont permis de caractériser les interactions existant entre les interstitiels et les différents atomes de solutés et aussi le carbone. Le P interagit avec les lacunes et très fortement avec l'interstitiel, le Mn interagit également avec l’interstitiel pour former un dumbbell mixte. Le C, en position octaédrique, interagit fortement avec la lacune et plus faiblement avec l'interstitiel. Les énergies de liaison, de migration ainsi que d’autres propriétés à l’échelle atomique, déterminées par calculs ab initio, nous ont conduits à un jeu de paramètres pour le code de MCC. Dans un premier temps, ces paramètres ont été optimisés sur des expériences, de la littérature, de recuits isochrones d’alliages binaires préalablement irradiés aux électrons. Les simulations de recuit isochrone, en reproduisant les tendances observées expérimentalement, nous ont permis d'associer précisément un mécanisme à chacune des évolutions de la résistivité au cours du recuit. Par ailleurs, les limites de solubilité des différents éléments ont été déterminées par Monte Carlo Metropolis. Dans un second temps, nous avons simulé l’évolution à 300 °C de la microstructure sous irradiation dans des alliages de complexité croissante : fer pur, alliages binaires, ternaires, quaternaires, et enfin alliages complexes de compositions proches de celle de l'acier de cuve. L'ensemble des simulations montrent que le modèle reproduit globalement les tendances des résultats expérimentaux, ce qui a permis de proposer des mécanismes pour expliquer les différents comportements observés
In this work, we have improved a diffusion model for point defects (vacancies and self-interstitials) by introducing hetero-interstitials. The model has been used to simulate by Kinetic Monte Carlo (KMC) the formation of solute rich clusters that are observed experimentally in irradiated ferritic model alloys of type Fe – CuMnNiSiP – C.Electronic structure calculations have been used to characterize the interactions between self-interstitials and all solute atoms, and also carbon. P interacts with vacancies and strongly with self-interstitials. Mn also interacts with self-interstitials to form mixed dumbbells. C, with occupies octahedral sites, interacts strongly with vacancies and less with self-interstitials. Binding and migration energies, as well as others atomic scale properties, obtained by ab initio calculations, have been used as parameters for the KMC code. Firstly, these parameters have been optimized over isochronal annealing experiments, in the literature, of binary alloys that have been electron-irradiated. Isochronal annealing simulations, by reproducing experimental results, have allowed us to link each mechanism to a single evolution of the resistivity during annealing. Moreover, solubility limits of all the elements have been determined by Metropolis Monte Carlo. Secondly, we have simulated the evolution at 300 °C of the microstructure under irradiation of different alloys of increasing complexity: pure Fe, binary alloys, ternaries, quaternaries, and finally complex alloys which compositions are close to those of pressure vessel steels. The results show that the model globally reproduces all the experimental tendencies, what has led us to propose mechanisms to explain the behaviours observed

Dans ce travail, nous avons développé un modèle de diffusion des défauts ponctuels (lacunes et interstitiels) permettant de simuler par Monte Carlo cinétique (MCC) la formation d'amas riches en solutés observés expérimentalement dans des alliages modèles de type FeCuNiMnSi irradiés ainsi que dans l'acier de cuve. Des calculs de structure électronique nous ont permis de caractériser les interactions existant entre les défauts ponctuels et les différents atomes de solutés. Chacun des solutés établit des liaisons attractives avec la lacune. Le Mn, quant à lui, élément ayant le moins d'affinité avec la lacune, établit des liaisons plus favorables avec l'interstitiel. Les énergies de liaison, de migration ainsi que d'autres propriétés à l'échelle atomique, déterminées par calculs ab initio, nous ont conduits à un jeu de paramètres pour le code de MCC. Dans un premier temps, ces paramètres ont été optimisés sur des expériences de recuit thermique réalisées sur l'alliage binaire FeCu et sur des alliages complexes, décrites dans la littérature. Les simulations de recuit thermique montrent qu'en présence de lacunes, tous les solutés migrent et forment des amas, en respectant les tendances observées expérimentalement. Pour simuler l'évolution de la microstructure sous irradiation, nous avons, dans un second temps, introduit les interstitiels dans le code de MCC. Leur présence rend plus efficace le transport du Mn. Les premières simulations d'irradiation par des électrons et des neutrons montrent que le modèle reproduit dans l'ensemble des résultats qualitativement en accord avec les tendances observées expérimentalement.

L'objectif de ce travail est le développement d'une méthode numérique pour simuler la diffusion de défauts cristallographiques mobiles dans les métaux irradiés, ainsi que leur absorption par les puits, afin de mieux anticiper l'évolution microstructurale de ces matériaux. Un intérêt particulier a été porté au cas de l’interaction entre les défauts ponctuels et les dislocations.Les méthodes de champ de phases sont bien adaptées à ce problème, puisqu’elles peuvent tenir compte des effets élastiques des dislocations sur la diffusion de ces défauts dans les cas les plus complexes. Le modèle de champ de phases présenté dans ce travail a été adapté pour prendre en compte la création des défauts par irradiation ainsi que leur absorption par les cœurs de dislocation à l’aide d’un nouveau paramètre d’ordre associé à la morphologie du puits. La méthode a d’abord été validée dans différents cas de référence en comparant les forces de puits obtenues numériquement aux solutions analytiques disponibles dans la littérature.Elle a ensuite été appliquée aux dislocations dans le zirconium en faisant varier leur orientation, et en tenant compte des propriétés anisotropes du cristal et des défauts ponctuels, obtenus récemment par des calculs à l'échelle atomique.L'analyse des résultats démontre que l'anisotropie de forme des défauts ponctuels favorise l'absorption des lacunes par les boucles basales, ce qui est cohérent avec la croissance du zirconium sous irradiation expérimentalement observée.Enfin, l'étude rigoureuse des boucles de dislocation révèle que les simulations par champ de phases sont plus précises que les solutions analytiques dans des domaines de densités réalistes
The aim of this work is to develop a modelling technique for diffusion of crystallographic migrating defects in irradiated metals and absorption by sinks to better predict the microstructural evolution in those materials.The phase field technique is well suited for this problem, since it naturally takes into account the elastic effects of dislocations on point defect diffusion in the most complex cases. The phase field model presented in this work has been adapted to simulate the generation of defects by irradiation and their absorption by the dislocation cores by means of a new order parameter associated to the sink morphology. The method has first been validated in different reference cases by comparing the sink strengths obtained numerically with analytical solutions available in the literature. Then, the method has been applied to dislocations with different orientations in zirconium, taking into account the anisotropic properties of the crystal and point defects, obtained by state-of-the-art atomic calculations.The results show that the shape anisotropy of the point defects promotes the vacancy absorption by basal loops, which is consistent with the experimentally observed zirconium growth under irradiation. Finally, the rigorous investigation of the dislocation loop case proves that phase field simulations give more accurate results than analytical solutions in realistic loop density ranges

Les alliages de zirconium sont utilisés pour fabriquer des gaines de combustible ainsi que des assemblages combustibles des réacteurs nucléaires à eau sous pression. Sous irradiation, ils montrent un changement dimensionnel communément appelé croissance. Des observations expérimentales ont montré qu'au-dessus d'une dose seuil, ces alliages sont sujets à une croissance accélérée appelée "breakaway". Il a été bien établi que la formation sous irradiation de boucles de dislocation ‹a› et ‹c› est directement responsables de la croissance des alliages de zirconium sous irradiation et que l’apparition des boucles ‹c› est corrélée avec cette accélération de croissance. Cependant, les mécanismes de germination des boucles qui semblent influencés par la présence d’éléments d’alliage sont encore mal compris. Afin d'améliorer notre compréhension des mécanismes élémentaires, une approche multi-échelle a été utilisée pour simuler l'évolution de la microstructure du zirconium sous irradiation. Des calculs à l’échelle atomique basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et sur des potentiels empiriques sont utilisés dans un premier temps pour déterminer les propriétés des amas de défauts ponctuels (boucles de dislocation, cavités, pyramides de fautes d’empilement). Les résultats obtenus sont ensuite insérés en tant que paramètres d'entrée dans un code Monte Carlo cinétique d'objet (OKMC) qui nous permet de simuler l’évolution de la microstructure du matériau sous irradiation, et donc de prédire la croissance. Nos résultats montrent qu’il est nécessaire de considérer une migration anisotrope de la lacune pour prédire l’accélération de croissance
Zirconium alloys are used to manufacture fuel cladding as well as fuel assemblies of pressurized water nuclear reactors. Under irradiation, they show a dimensional change commonly called growth. Experimental observations have shown that above a threshold dose, these alloys are subject to accelerated growth called "breakaway". It has been well established that the irradiation formation of and dislocation loops is directly responsible for the growth of irradiated zirconium alloys and that the appearance of loops is correlated with this growth acceleration. However, the nucleation mechanisms of the loops that seem to be influenced by the presence of alloying elements are still poorly understood. In order to improve our understanding, a multi-scale modelling approach has been used to simulate the evolution of zirconium microstructure under irradiation. Atomic-scale calculations based on the density functional theory (DFT) and empirical potentials are used to determine the properties of clusters of point defects (dislocation loops, cavities, pyramids of stacking faults). The results obtained are then used as input parameters of an object kinetic Monte Carlo (OKMC) code which allows us to simulate the microstructure evolution of the material under irradiation. Our results show that it is necessary to consider an anisotropic migration of the vacancies to predict the growth acceleration

Les alliages de zirconium sont utilisés pour fabriquer des gaines de combustible ainsi que des assemblages combustibles des réacteurs nucléaires à eau sous pression. Sous irradiation, ils montrent un changement dimensionnel communément appelé croissance. Des observations expérimentales ont montré qu'au-dessus d'une dose seuil, ces alliages sont sujets à une croissance accélérée appelée "breakaway". Il a été bien établi que la formation sous irradiation de boucles de dislocation ‹a› et ‹c› est directement responsables de la croissance des alliages de zirconium sous irradiation et que l’apparition des boucles ‹c› est corrélée avec cette accélération de croissance. Cependant, les mécanismes de germination des boucles qui semblent influencés par la présence d’éléments d’alliage sont encore mal compris. Afin d'améliorer notre compréhension des mécanismes élémentaires, une approche multi-échelle a été utilisée pour simuler l'évolution de la microstructure du zirconium sous irradiation. Des calculs à l’échelle atomique basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et sur des potentiels empiriques sont utilisés dans un premier temps pour déterminer les propriétés des amas de défauts ponctuels (boucles de dislocation, cavités, pyramides de fautes d’empilement). Les résultats obtenus sont ensuite insérés en tant que paramètres d'entrée dans un code Monte Carlo cinétique d'objet (OKMC) qui nous permet de simuler l’évolution de la microstructure du matériau sous irradiation, et donc de prédire la croissance. Nos résultats montrent qu’il est nécessaire de considérer une migration anisotrope de la lacune pour prédire l’accélération de croissance
Zirconium alloys are used to manufacture fuel cladding as well as fuel assemblies of pressurized water nuclear reactors. Under irradiation, they show a dimensional change commonly called growth. Experimental observations have shown that above a threshold dose, these alloys are subject to accelerated growth called "breakaway". It has been well established that the irradiation formation of and dislocation loops is directly responsible for the growth of irradiated zirconium alloys and that the appearance of loops is correlated with this growth acceleration. However, the nucleation mechanisms of the loops that seem to be influenced by the presence of alloying elements are still poorly understood. In order to improve our understanding, a multi-scale modelling approach has been used to simulate the evolution of zirconium microstructure under irradiation. Atomic-scale calculations based on the density functional theory (DFT) and empirical potentials are used to determine the properties of clusters of point defects (dislocation loops, cavities, pyramids of stacking faults). The results obtained are then used as input parameters of an object kinetic Monte Carlo (OKMC) code which allows us to simulate the microstructure evolution of the material under irradiation. Our results show that it is necessary to consider an anisotropic migration of the vacancies to predict the growth acceleration

Les propriétés électriques des semiconducteurs sont fortement influencées par le type de dopants et défauts insérés ou formés lors de leur synthèse. Dans le domaine du photovoltaïque, ces défauts vont fortement dégrader l’efficacité et la durabilité des cellules solaires. Dans ce contexte, les méthodes de simulation ab-initio, Hartree-Fock (HF) ou la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), sont pertinentes pour une compréhension de ces différents effets nécessaire à l’optimisation des matériaux. Cependant, l’obtention d’une bonne description des propriétés requiert l’utilisation d’approches sophistiquées, comme GW, coûteuses en temps de calcul. Ainsi, les approches pragmatiques basées sur les fonctionnelles hybrides, combinant HF et DFT, représentent une alternative intéressante. Dans un premier temps, des fonctionnelles hybrides ont été optimisées afin d’avoir une bonne description de l’énergie de bande interdite pour différents composés : Si, Ge, SiGe, les III-V et les chalcopyrites (CIGS). Les résultats obtenus avec cette approche semi-empirique ont été confrontés à ceux de la littérature et notamment à ceux obtenus au niveau GW. La description des propriétés électroniques est similaire à celle obtenue au niveau GW. L’évolution en température de différentes données thermodynamiques a aussi été abordée via l’approximation quasi-harmonique Pour celles-ci et les matériaux étudiés, les approches hybrides n’apportent pas d’amélioration par rapport aux fonctionnelles existante mais permettent une description cohérente des matériaux. Dans un second temps, ces fonctionnelles ont été utilisées pour réaliser une étude systématique de l’impact de la composition chimique sur les propriétés des CIGS pour des cellules solaires de type tandem. Tout d’abord, elles ont permis de déterminer les compositions, propriétés structurales et électroniques des CuGaxIn1-x(SySe1-y)2 avec des gaps donnés pour ce type d’application. Ensuite, l’effet de l’insertion des alcalins dans les CIGS a été abordé. L’accent a été porté sur la substitution du Cu par le Li, Na, K, Rb et Cs. Leur impact sur le gap a été interprété en terme d’évolution structurale et stabilité thermodynamique de différentes phases cristallines pouvant exister dans le matériau. Enfin, les défauts ponctuels de H, Fe et B dans le silicium ont été modélisés pour une étude concernant la dégradation induite par la lumière à haute température, un des mécanismes de vieillissement des cellules à base de silicium
Electrical properties of semiconductors are strongly influenced by the types of dopants and defects inserted or formed during the synthesis of materials. In the field of photovoltaics, these defects leads to various metastabilities and can degrade the efficiency and durability of solar cells. In this context, ab-initio simulation methods, such as Hartree-Fock (HF) or the one implemented in the framework of density functional theory (DFT), are relevant to understand these behaviours and thus optimise the photovoltaic materials. However, a good qualitative and quantitative description of properties requires sophisticated but time consuming method like GW. An interesting alternative can be provided by hybrid functionals, which combine HF and DFT. Firstly, hybrid functionals were optimised in order to accurately described the band gap for different compounds by varying the percentage of HF exact-exchange in the exchange term of the PBE and PBEsol functionals from the GGA approximation of DFT. The materials investigated were Si, Ge, SiGe, III-V and chalcopyrites. Results obtained by this approach were confronted to the one from the literature. The description of the electronic properties matched the one from GW. Temperature evolution of various thermodynamic properties was calculated via the quasi-harmonic approximation. In this approximation and for the range of studied materials, optimised hybrid functionals do not bring an enhancement compared to existing functionals. Nevertheless, they bring a coherent description of the materials. Secondly, these optimised hybrid functionals were used to systematically describe the impact of chemical composition on chalcopyrite’s properties for tandem solar cells. First, they enable the determination the compositions, structural and electrical properties of CuGaxIn1-x(SySe1-y)2 for band gap specific to this kind of application. As alkali metals leads to major enhancement of chalcopyrite efficiency, the effect of their incorporation in chalcopyrite bulk was address. Highlight was put on the substitution of copper by Li, Na, K, Rb and Cs. Their impact on the band gap was interpreted via the structural evolution and the thermodynamique stability of the different crystallines phases that can exists within the material. Finally, H, Fe and B point defects in silicon were simulated for a preliminary study on the light and elevated temperature induced degradation which is one of the ageing process of the silicon solar cells

L'importance du nombre d'ouvrages atteints d'alcali-réaction en France a conduit le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) et Electricité de France (EDF) à développer une vaste étude expérimentale afin de calibrer et valider les méthodologies de re-calcul d'ouvrages atteints et pouvoir répondre aux questions concernant la pérennité, la sécurité et l'aptitude au service des structures dégradées par cette pathologie. L'étude de la bibliographie concernant le développement de cette réaction chimique dans les bétons et ses effets sur les structures, a conduit à définir un programme ambitieux pour mesurer précisément le développement de l'alcali-réaction dans six structures modèles, en caractérisant notamment l'effet de deux paramètres majeurs : les apports d'eau et les contraintes. A l'occasion de ce programme, trois moyens de mesures innovants nécessaires aux suivis hydrique et mécanique de ces structures ont été conçus et qualifiés : -un banc de pesage, afin de mesurer les variations de masse globale de poutres de 900 kg avec une précision de 10 g, -un banc de gammadensimétrie mobile, pour déterminer des profils de variation relative de masse dans leur hauteur, -des extensomètres à corde vibrante sans raideur, de différentes bases de mesure, pour mesurer leurs déformations locales et globales. Un nombre important de mesures "classiques" a également été réalisé, tant sur les poutres modèles que sur des éprouvettes. Cette étude a permis de constituer une banque de données importante, utilisable par de nombreux acteurs du Génie Civil puisqu'elle concerne les déformations de structures endommagées par l'alcali-réaction mais également les transports hydriques dans des structures de béton et les déformations de structures en bétons non atteints d'alcali-réaction. Ce suivi a apporté de nouveaux enseignements directement utilisables pour l'expertise et l'évaluation de la dégradation des ouvrages atteints concernant : -l'évolution des caractéristiques mécaniques d'un béton réactif représentatif de celui d'ouvrages d'art français, -la méthodologie de l'essai d'expansion résiduelle, -les effets d'un gradient d'humidité sur le comportement de structures en béton, -les effets d'apports d'eau tardifs sur le comportement d'ouvrages atteints, -l'influence de l'état de contraintes sur l'amplitude et la cinétique des expansions dues à l'alcali-réaction, que ces contraintes mécaniques soient dues au fonctionnement de l'ouvrage, à la présence d'armatures, à des conditions hydriques variables, -et finalement, l'impact de cette pathologie sur la résistance mécanique des structures atteintes
A large scale experimental program has been carried out at the Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC), with Electricité de France (EDF) as a partner, in order to validate methodologies of mechanical reassessment of real structures damaged by Alkali-Silica Reaction (ASR) and thus answer to the needs of owners of civil engineering structures (bridges, dams, pavements). The final aim is to improve calculation tools in order to determine the evolution of ASR affected structures. Major features of this study were to point out the water driving effect and the compressive stresses consequences on swellings due to ASR. Thus, the hydro-chemo-mechanical behaviour of six instrumented laboratory structures has been monitored during a two years experimentation. Three specific devices have been designed to achieve the numerous measurements, in order to evaluate water movements in concrete and structural behaviours of the six structures : -the weighing device allows to measure the mass variations of the 900 kg beams, with a 10 g accuracy, -the gammadensitometry equipment is used to determine the relative mass variations along the height of the beams, -specific stiffness vibrating wire sensors achieve deformation measurements in the beams. Other current or improved techniques have been also used in order to complement the characterisation of the behaviour of the beams, and to quantify chemo-mechanical data related to the two concrete mixtures during two years. This laboratory experimental survey has collected numerous results to document both moisture and chemo-mechanical deformations, which builds a useful data bank in order to validate models. At last, measurements have increased knowledge useful for expert evaluation of ASR-affected structures about : -mechanical properties evolution of concrete mixture damaged by ASR, -methodology of residual expansion tests, -effects of moisture gradient in ASR-damaged structures, -consequences of late water supply on ASR progress in structures already damaged, -range and time-evolution of ASR swellings under specific stress states, due to mechanical loads, reinforcement or various environmental conditions, and, at last, the effect of this chemical reaction on the mechanical strength of damaged structures

La miniaturisation des composants silicium m. O. S. (metal oxyde semiconducteur) necessite l'elaboration des couches d'oxyde de quelque dizaines d'angstroms. A cette epaisseur, un modele a l'echelle atomique capable de rendre compte des phenomenes microscopiques et localises est necessaire. Un tel simulateur s'appuyant sur les modeles energetiques d'interaction a deux corps et a trois corps ainsi que le test de metropolis est realise. Des tests de validite confirment son aptitude a simuler des cristaux de silicium et d'oxyde de silicium. Concernant l'analyse de la formation des toutes premieres couches d'oxyde, la methode consiste a deposer les atomes d'oxygene sur la surface du substrat de silicium et a relaxer la structure. En convertissant le taux d'oxygene en temps de croissance, la methode est appliquee a un exemple concret de croissance d'oxyde a la temperature ambiante et a la pression atmospherique sur une surface de silicium orientee (001). Il en ressort que les premieres couches d'oxyde se forment par un phenomene de deformation-relaxation entre les atomes d'oxygene et les atomes de silicium. A partir des resultats simules, une loi lineaire-logarithmique approchant a 10% pres les resultats experimentaux de croissance d'oxyde dans la gamme d'epaisseurs inferieures a 10 angstroms est proposee. Par ailleurs, l'introduction des defauts ponctuels dans le substrat permet d'affiner le modele. Deux cas de melange de defauts: 1) 1,5% d'interstitiels (c'est-a-dire 3 interstitiels pour 200 atomes de silicium du substrat) et 6% de lacunes, 2) 6% d'interstitiels et 6% de lacunes, ont reduit de moitie l'ecart entre les resultats simules et ceux de l'experience

Les pannes temporelles, ou pannes de delai, modelisent des defauts physiques ou de conception qui perturbent le fonctionnement normal des circuits uniquement a frequence elevee. Cette these propose de realiser la simulation de pannes temporelles dans les circuits sequentiels. Les phenomenes produits par une panne temporelle sont differents suivant que l'on considere la partie combinatoire comme etant le siege d'une erreur, ou une erreur ayant transite par un element de memorisation. Pour les circuits sequentiels qui ne possedent pas d'architecture specifique qui permette de se ramener a l'etude d'un circuit combinatoire (architecture scan), il est necessaire de propager pendant plusieurs cycles d'horloges les effets d'une panne apres son activation avant qu'elle n'apparaisse en sortie. La methode mise en place pour simuler les pannes de delai internes a un bloc combinatoire fait appel a une technique implicite basee sur le principe du trace de chemin critique. Cette approche permet de determiner rapidement et simplement l'ensemble des pannes detectees par une paire de vecteurs de test donnee. Pour propager les erreurs logiques qui resultent de l'activation des pannes dans un bloc combinatoire, nous avons developpe une technique basee sur le principe de la simulation deductive. Cette approche permet de propager simplement, non seulement le site, mais aussi les informations temporelles relatives a la detection des pannes de delai

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la simulation numérique de procédé de forgeage des métaux. Il s’articule autour de deux thèmes principaux que sont l’adaptation du logiciel Forge3® au procédé de roulage d’anneaux à mi-chaud d’une part, et la réduction des temps de calcul d’autre part. Après un premier chapitre décrivant le cadre d’étude, est présentée dans une deuxième partie l’étude du procédé de roulage. Grâce à l’introduction d’un nouveau formalisme des outils flottants dans le logiciel, on arrive à reproduire fidèlement la cinématique particulière de l’outillage. Ces développements sont validés par une confrontation directe avec des résultats expérimentaux. Vient ensuite un travail d’identification des paramètres thermiques de la simulation. Ces paramètres sont validés par l’étude de deux types de bagues sensiblement différentes. Les résultats sont très encourageants, la simulation se montrant prédictive sur la trajectoire de l’outillage, ainsi que sur l’évolution de la température de la matrice tout au long d’un cycle, et ce sur les deux symboles différents. On présente enfin dans une troisième partie une nouvelle méthode de résolution de systèmes linéaires basée sur un algorithme multigrilles trois niveaux. Le solveur multigrille, construit à partir de la librairie PETSc, est fondé sur une technique de déraffinement automatique de maillage qui permet d’obtenir des maillages grossiers emboîtés par nœuds. Après une étude paramétrique permettant la bonne configuration du solveur, on vérifie numériquement sa convergence asymptotique linéaire. Les performances obtenues sur différents cas de forgeage sont édifiantes, avec une division du temps de résolution d’un système linéaire par un facteur 6, pour une division du temps de calcul total de la simulation par un facteur 3 pour des maillages d’environ 60000 nœuds
This work deals with the numerical simulation of the metal forging processes. It is connected to two principal themes: adapting the software Forge3® to the warm ring rolling forging process and reducing the time computation of the simulation. The first chapter describes the framework and the second part is dedicated to the study of the ring rolling process. Thanks to the introduction of a new definition of the floating dies within the software, it is then possible to compute precisely the particular tool kinematics. These improvements are confirmed by a direct comparison with experimental results. Then an identification work of the thermal parameters takes place. These parameters are validated by the study of two slightly different rings. The results are very encouraging; the simulation seems to predict well the inner die’s trajectory and also the temperature evolution of the outer die during a whole cycle production. These results are true for both of the different types of ring. The last part presents a new method for resolving linear system based on three-level multigrid algorithm. The multigrid solver is based on the PETSc library and an automatic mesh coarsening technique that helps obtaining node nested coarser meshes. A parametrical study is carried out in order to reach an optimized configuration of the solver. The linear rate of convergence of the method is numerically proved. We obtain substantial results on different forging cases with reduction of the linear system computation by a factor 6 for a 60000 nodes system. This corresponds to a division of the global time simulation by a factor 3

Dans cette thèse nous proposons de développer un système d'imagerie ultrasonore innovante de micro- défauts basé sur l'utilisation conjointe de techniques d'acoustique non linéaire et du concept de "transducteur à cavité chaotique". Ce transducteur correspond à la combinaison d'une céramique piézoélectrique collée sur une cavité de forme chaotique et du principe de retournement temporel. La faisabilité et les performances de ce nouveau système sont explorées par des simulations numériques. Des paramètres optimaux d'utilisation pour une implémentation expérimentale sont proposés. Une grande partie des travaux menés dans le cadre de cette thèse se concentre sur le développement d'outils numériques permettant l'amélioration de telles techniques d'imagerie. Un schéma d'éléments finis de type Galerkin Discontinu (GD) est étendu à l'élastodynamique non linéaire. Un type de zone absorbante parfaitement adaptée, appelée "Nearly Perfectly Matched Layer" (NPML) a aussi été développé. Dans le cas de matériaux orthotropes, comme des problèmes de stabilité apparaissent, un mélange de NPML et de zone atténuante, dont on contrôle la proportion respective, est introduit afin de stabiliser les NPML. Une validation expérimentale du concept de "transducteur à cavité chaotique" pour la focalisation dans un milieu solide, réverbérant ou non, en utilisant une seule source est réalisée. Les méthodes de retournement temporel et de filtre inverse sont présentées et comparées. La démonstration expérimentale qu'un "transducteur à cavité chaotique" peut être utilisé conjointement avec les méthodes d'inversion d'impulsion afin de réaliser une image de non linéarités localisées est présentée

Il existe deux stratégies principales pour fabriquer des engrenages, liées à l'ordre d'enchaînement de l'usinage de finition et du traitement thermique. Dans le cas qui nous occupe ici chez Renault, la majorité des pièces produites adopte un processus où le traitement thermique termine la gamme de fabrication, ce qui n'autorise aucune modification de la géométrie de la denture en sortie de trempe. Il est donc primordial d'analyser les déformations qui apparaissent lors de cette étape. Indépendamment de ces stratégies de fabrication, la vie d'une pièce peut être divisée en deux phases : la mise au point et la vie série. Chaque période génère des problématiques séparées. Pour la première, il est utile de connaître au préalable la déformation de la pièce lors du traitement thermique, voire des autres opérations de la gamme. Un état de l'art des modélisations phénoménologiques actuelles est donc dressé, ainsi qu'une liste des données nécessaires au calcul. L'applicabilité de la simulation numérique à ce problème est alors étudiée. Une bonne corrélation qualitative a été observée entre simulation et données expérimentales. Cependant, étant donné la complexité des donnée nécessaires et la détermination des conditions aux limites, une autre possibilité a également été développée, structurée autour d'une base de données recensant les déformations des engrenages de chaque site. Cette méthodologie a été implémentée dans une application qui est maintenant utilisée sur tous les sites de mécanique Renault. Une fois cette mise au point terminée, la pièce entre dans la deuxième phase, la vie série. Celle-ci voit apparaître alors un second type de problème : la dérive du processus nominal. Cette dérive peut être occasionnée par exemple par une matière légèrement modifiée, des conditions d'usinage optimisées ou une variation du traitement thermique qui échappe aux contrôles classiques mis en place. Nous nous attachons ici principalement aux dérives qui provoquent une variation dimensionnelle de la pièce mais le principe peut être appliqué à d'autres variations. Retrouver le plus rapidement possible l'origine d'une telle dérive et la corriger alors que la production est arrêtée est impératif. Nous proposons donc ici les fondements d'une méthode permettant de reconnaître l'origine d'une dérive identifiée à partir de la seule mesure de la déformation de la pièce. Une base des dérives possibles est créée en réalisant une décomposition modale (POD) des simulations numériques représentant les variations du process. En projetant la mesure réelle sur cette base, nous sommes ainsi capables d'identifier l'origine de la dérive et donc de réduire les délais d'analyse du problème
Two main strategies exist to manufacture gears, depending the respective order of finishing and heat treatment. Renault mainly uses a process where heat treatment follows finishing. Due to this, gear tooth distortion can not be corrected after quenching and thus has to be analysed in detail. Regardless of these two strategies, production development can be divided in two phases : process set up and series production. Each phase has its own problem. For the first, it will be useful to know beforehand the distortion during heat treament and other steps. We present some current phenomenological models of heat treatment process. A list of input parameters is done. Next, the use of numerical simulation is examined. A good qualitative correlation is observed between numerical and experimental results. Nevertheless, due to the complexity of input data and the determination of boundary conditions, another methodology is proposed structured around a data base containing the deformations of all gears manufactured in the factories. This methodology is implemented in a software and used at all Renault locations. Once this set up is finished, the part enters into series production. A second problem occurs : the nominal process deviation. For example, slight material changes, variations in machining conditions, modifications of heat treatment and so on can be responsible for these deviations. We mainly focuse here on dimensional deviations but this method could be applied to other ones. When production is stopped, these deviations have to be rapidly identified. This is why we propose here the methodology fundamentals to recognise the deviation origin from the part deformation. A numerical basis of all the deviations is created by applying a Proper Orthogonal Decomposition on numerical simulations. The projection of the real part deformation on this basis can help us to identify the deviation origin and so reduce time needed to analyse the problem

Dans cette thèse nous proposons de développer un système d’imagerie ultrasonore innovante de micro- défauts basé sur l’utilisation conjointe de techniques d’acoustique non linéaire et du concept de "transducteur à cavité chaotique". Ce transducteur correspond à la combinaison d’une céramique piézoélectrique collée sur une cavité de forme chaotique et du principe de retournement temporel. La faisabilité et les performances de ce nouveau système sont explorées par des simulations numériques. Des paramètres optimaux d’utilisation pour une implémentation expérimentale sont proposés. Une grande partie des travaux menés dans le cadre de cette thèse se concentre sur le développement d’outils numériques permettant l’amélioration de telles techniques d’imagerie. Un schéma d’éléments finis de type Galerkin Discontinu (GD) est étendu à l’élastodynamique non linéaire. Un type de zone absorbante parfaitement adaptée, appelée "Nearly Perfectly Matched Layer" (NPML) a aussi été développé. Dans le cas de matériaux orthotropes, comme des problèmes de stabilité apparaissent, un mélange de NPML et de zone atténuante, dont on contrôle la proportion respective, est introduit afin de stabiliser les NPML. Une validation expérimentale du concept de "transducteur à cavité chaotique" pour la focalisation dans un milieu solide, réverbérant ou non, en utilisant une seule source est réalisée. Les méthodes de retournement temporel et de filtre inverse sont présentées et comparées. La démonstration expérimentale qu’un "transducteur à cavité chaotique" peut être utilisé conjointement avec les méthodes d’inversion d’impulsion afin de réaliser une image de non linéarités localisées est présentée
In this thesis we propose the development of an innovative micro-damage imaging system based on a combination of Nonlinear Elastic Wave Spectroscopy techniques and “chaotic cavity transducer” concept. It consists of a combination of a PZT ceramic glued to a cavity of chaotic shape with the time reversal principle. The feasibility and capabilities of these new ideas is explored by numerical simulations, and optimal operational parameters for experimental implementation are suggested based on the modelling support. A large part of the research work conducted in this thesis is concentrated on the development of numerical simulation tools to help the improvement of such nonlinear imaging methods. A nodal Discontinuous Galerkin Finite Element Method (DG-FEM) scheme is extended to nonlinear elasto-dynamic including source terms. A Perfectly Matched Layer absorbing boundary condition well adapted to the DG-FEM scheme, called Nearly Perfectly Matched Layer (NPML), is also developed. In the case of orthotropic material as stability problems appear, a mixture of NPML and sponge layer, with a controllable ratio of these two kinds of absorbing layers, is introduced. The experimental validation of “chaotic cavity transducer” to focalize in reverberant and non-reverberant solid media with only one source is made. Classical time reversal, inverse filter and 1 Bit time reversal process are discussed and compared. The experimental demonstration of the use of a “chaotic cavity transducer”, in combination with the pulse inversion and 1-bit methods, to obtain an image of localized nonlinearity is made. This opens the possibility for high resolution imaging of nonlinear defects

L’excellente coulabilité, les coûts de production relativement bas, et ratio poids/résistance mécanique élevé des alliages de fonderie Al-Si-Mg en font une des solutions les plus intéressantes dans le secteur automobile ainsi que dans le domaine aérospatial. Toutefois, il est bien connu que la durée de vie de ces composants moulés à grand nombre de cycles (105 < Nf < 107 cycles) est sévèrement réduite lorsque des défauts de fonderie (notamment pores et oxydes) sont débouchants et/ou subsurfaciques sont présents. Ces défauts concentrent les contraintes et peuvent considérablement réduire la période d’amorçage des fissures de fatigue en fonction de leur taille, forme et des caractéristiques microstructurales du matériau. Les défauts internes (à partir desquels les fissures peuvent amorcer et propager sans interaction avec l’air ambiant) ainsi que les défauts de surface (ceux qui sont placés à la surface et en contact direct avec l’air ambiant) vont également nuire la durée de vie des composants moulés. Toutefois, dans le cas des défauts internes, les coefficients de sécurité préconisés par les règles de conception ne font pas intervenir la distance de défaut par rapport à la surface. Le suivi de fissures de fatigue effectué à la surface d’éprouvettes macroscopiques de traction indique que la présence d’un défaut avec une taille supérieure à celle des fissures microstructuralement courtes (√A ≈ 500 μm, taille contrôlée par la SDAS) produit une remarquable réduction de la durée vie. En revanche, la durée de vie n’est pas affectée lorsqu’un défaut plus petit (√A ≈ 300 μm) est présent à la surface car l’amorçage et les premiers stades de propagation sont encore influencés par la SDAS. Les essais de fatigue en torsion pure montrent que la morphologie des surfaces de rupture est fortement influencée par le niveau de contrainte. De plus, le nombre de cycles à l’amorçage est réduit par rapport à la traction. Cet amorçage est multi-site et plusieurs fissures peuvent croitre simultanément au cours de la durée de vie d’une éprouvette, la rupture finale se produisant lors de la jonction de certaines de ces fissures. La propagation des fissures en torsion est largement influencée par la cristallographie locale et les retassures ne semblent pas être des sites de nucléation préférentiels. Les durées de vie odes échantillons macroscopiques contenant défauts artificiel internes (Øeq ≈ 2 mm) sont pratiquement similaires à celles obtenues avec un matériau de référence. L’amorçage et la propagation de fissures internes a été rarement observé lors des expériences de tomographie synchrotron. Dans les rares cas où de telles fissures ont pu être observées, le chemin de fissuration semble fortement influencé par la cristallographie alors que les fissures amorcées depuis la surface se propagent globalement en mode I. La vitesse de propagation des fissures internes est très inférieure à celle des fissures se propageant à partir de la surface
The excellent castability, relatively low production costs, and high strength to weight ratios make Al-Si-Mg cast alloys an attractive choice for use in cheaper and lighter engineering components, in both automotive and aerospace industries. However, it is well known that High Cycle Fatigue (HCF) lives (105 < Nf < 107 cycles) of cast components are severely reduced when casting defects (notably pores and oxides) are present at the free surface or subsurface. They act as stress raisers which can considerably reduce the crack incubation period depending on their size, shape and the microstructural features of the surrounding material. Internal casting defects are of special interest to this work. The application of safety coefficients considers that all casting defects present in a component have the same deleterious effect and no attention is paid, for example, to their distance to the free surface. In other words, internal defects (corresponding to the case where the depth of the defect allows crack nucleation and propagation to essentially occur without interaction with the air environment) are considered as damaging to fatigue life as surface defects (those placed at the free surface and in contact with the air environment). Surface crack monitoring performed on uniaxial fatigue specimens indicates that the presence of a surface microshrinkage exceeding the size of microstructurally small cracks (√A ≈ 500 μm, controlled by the SDAS) readily nucleates a fatigue cracks producing steady crack propagation and remarkable reduction in the expected fatigue life. A smaller surface defect (√A ≈ 300 μm) nucleated a crack that did not reduced the expected fatigue life as in this case early stages of propagation are still nfluenced by the SDAS. Pure torsional cycling reveals that the morphology of fracture surfaces is highly influenced by the stress level. In general, torsional fatigue behaviour is described by having reduced (with respect to uniaxial testing) and multisite crack nucleation periods. Several dominant cracks can evolve simultaneously and the final failure occurs by the linkage of some of those cracks. Crack propagation is controlled by the crystallography and pores do not appear to be preferential nucleation sites. S-N curves show that macroscopic specimens containing Øeq ≈ 2 mm internal artificial defect produce similar fatigue lives to those obtained with a defect-free material. Internal crack nucleation was rarely observed during synchrotron tomography experiments; instead the fatal cracks initiated from much smaller surface defects. Tomographic images show that, in the case of internal propagation, crystallographic paths are formed while surface cracks propagate in mode I. The crack growth rate of internal cracks is much smaller than that of cracks propagating from the free surface

Ce travail de thèse a pour objectif d'étudier les propriétés des molécules de métaux alcalins M2+ immergées dans des agrégats de néon, par le biais de simulations numériques. Nous développons une approche globale dans laquelle la détermination de la structure électronique se réduit à un problème à un électron. Ce dernier évolue dans un potentiel modélisé par des pseudo-potentiels semi-locaux à cœur polarisable. Nous les avons paramétrés après avoir calculé les courbes de potentiel des dimères MNe et M+Ne de manière ab initio. Nous effectuons une dynamique moléculaire classique, en y incorporant un traitement des couplages non-adiabatiques grâce à un algorithme de saut de surface. Nous avons trouvé les géométries d'équilibres des systèmes M2+Nen jusqu'à la première couche de solvatation de la molécule. Nous en avons déduit les propriétés statiques de ces systèmes en examinant les énergies de liaison, les distances d'équilibre, et les spectres optiques d'absorption. Nous avons ensuite étudié la dynamique de ces systèmes placés initialement sur un état excité. Nous avons établi que le taux de photodissociation dépend fortement du nombre d'atomes de néon et de l'ordre des transitions électroniques. Nous avons observé un effet de cage pour les systèmes Li2+Nen à partir de 18 atomes de néon. Nous avons également effectué des analyses sur la distribution des fragments produits, sur les états moléculaires stabilisés, et sur la localisation de la charge dans les systèmes asymétriques
The purpose of this thesis is to study the properties of M2+ alkali molecules embedded in neon clusters, by means of numerical simulations. We developped a comprehensive approach in which the electronic structure determination is reduced to a one-electron problem. The electron evolves in a potential modelled by semi-local core polarization potentials. Their parametrization was completed after we performed ab initio calculations of the potential energy curves of MNe and M+Ne dimers. We carry out a classical molecular dynamic, including a nonadiabatic coupling treatment, by means of a surface hopping algorithm. We found equilibrium geometries of the M2+Nen systems, up to the first solvation shell of the molecule. We deduced the static properties of these systems, investigating binding energies, equilibrium distances and optical absorption spectra. Then, we studied the dynamics of these systems, initially promoted to an excited state. We established that photofragmentation yield highly depends on the number of neon atoms and on electronic transition ordering. We observed a cage effect for M2+Nen systems for n>18. We also performed analysis of product fragment distribution, stabilized molecular states and electronic charge localization in asymmetrical systems

Le MCT (MOS Controlled Thyristor) et l'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sont des composants hybrides associant les avantages d'un MOS (facilité de commande et rapidité en commutation) et ceux d'une structure bipolaire (faible tension de déchet et un pouvoir de commuter de forts courants). Ils se trouvent en compétition dans les applications de puissance. Ces applications couvrent les domaines industriels dans des environnements radiatifs (spatiaux ou nucléaires), ce qui demande une caractérisation spécifique. Deux types d'effets des irradiations sur les composants électroniques sont à considérer : l'effet d'ionisation et l'effet de déplacement d'atomes. Le travail développé dans ce mémoire a pour but de pousser l'étude et l'analyse des effets induits par des irradiations ionisantes (gamma) et à effets de déplacement (neutrons) dans le composant MCT. Afin de bien comprendre les dégradations induites dans la structure du MCT une pre-étude sur l'IGBT est réalisée. Des mesures électriques et la simulation 2D sont effectuées afin d'évaluer ces dégradations. Ainsi l'évolution des paramètres physiques et électriques a été suivie en fonction de la dose (ou fluence) et du type d'irradiation. Une modélisation de la structure du MCT et des phénomènes physiques et électriques gouvernant son comportement électrique en utilisant le simulateur de dispositifs 2D-ATLAS (version PISCES de SILVACO) est réalisée. Cette structure va servir à la simulation et l'analyse des mesures capacité-tension entre grille et anode du MCT, ceci afin de bien montrer le rôle joué par chacune des couches du MCT. La simulation des effets induits par irradiation neutrons est effectuée en introduisant des défauts dans toute la structure simulée. L'objectif de cette simulation étant de valider les hypothèses proposées lors des études électriques

L'objectif de cette thèse est la mise au point de différents outils numériques destinés à la simulation de l'emboutissage de tôles axisymétriques dans lesquelles apparaissent de grandes déformations élasto-plastiques. Trois approches non linéaires basées sur la méthode des éléments finis. Les deux premières approches sont des méthodes incrémentales de type implicite et explicite pour l'analyse statique et dynamique. Ces méthodes ont pour fonction de simuler le plus fidèlement possible l'emboutissage. Le comportement en membrane flexion et cisaillement transversal de la tôle est représenté ainsi que l'anisotropie transverse du matériau. Les conditions de contact entre la tôle et les outils sont représentées à l'aide des méthodes de pénalisation (implicite statique) et des multiplicateurs de Lagrange (explicite dynamique) où le frottement obéit à la loi de Coulomb. La troisième méthode est l'approche inverse qui permet d'estimer les déformations de membrane de la tôle emboutie en comparant directement les formes initiale et finale de la pièce. On détermine par le calcul les positions initiales des points matériels situés sur la forme finale. La loi de comportement est basée sur la théorie de déformation totale. Les comparaisons de ces trois formulations portent sur leurs efficacités (temps calcul) et leurs précisions a travers différents exemples.

Les pompes à chaleur offrent une solution efficace et durable pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments. Cependant, ces systèmes fonctionnent parfois avec une faible efficacité, en raison des défauts. Dans cette recherche, nous nous concentrons sur trois défauts de fonctionnement : les fuites de réfrigérant, l'encrassement du condenseur et l'encrassement de l'évaporateur. Ce sont les défauts de fonctionnement les plus fréquents et les plus impactés. Nous proposons de développer une méthode pour modéliser ces défauts de fonctionnement et les associer à un modèle de simulation de bâtiment. En premier lieu, nous avons développé des modèles physiques d'une pompe à chaleur résidentielle air-air afin d’estimer le coefficient de performance (COP/EER) de la pompe à chaleur, en fonction de l'intensité d'utilisation, et du défaut de fonctionnement. Ensuite, un modèle de réseau de Petri a été proposé pour déterminer a priori la structure de l'évolution des défauts. Dans un deuxième temps, nous appliquons une notion d'incertitude de la base de données des défauts pour prendre en compte différents cas de travail et généraliser le modèle d'occurrence des défauts. Nous l'avons associé à l'outil de simulation énergétique dynamique COMETh, pour simuler la consommation énergétique annuelle. Cette méthode nous permet d'analyser et de déterminer l'incertitude globale des impacts des défauts sur les performances de la pompe à chaleur et sur la consommation énergétique totale du bâtiment. La méthode a été appliquée à un cas d’étude sur un bâtiment résidentiel à Paris sur une période de 15 ans. Les résultats soulignent la possibilité de la méthodologie proposée
Heat pumps give an efficient and sustainable solution for both heating and cooling. However, these systems sometimes operate with a lower efficiency, because of the faults. In this research, we focus on three operating faults : refrigerant leakage, condenser fouling, and evaporator fouling. They are the most frequent and most impacted operating faults. They evolve undetectably over time until they start to create the energy and comfort problems. We propose to develop a method to model these operating faults and to associate them with a building simulation model. In the first place, we developed physical models of an air-to-air residential heat pump in order to predict the coefficient of performance (COP/EER) of the heat pump, as a function of the use intensity, and operating fault. Then, a Petri net model was proposed to determine a priori structure of fault evolution. In the second step, we apply a notion of uncertainty of fault database to take into account different working cases and generalize the fault occurrence model. We associated it with the dynamic energy simulation tool COMETh, a building simulation model developed by CSTB, to simulate the annual energy consumption. This method helps us to analyze and determine the global uncertainty of fault impacts on the heat pump performance and on the whole energy consumption of the building. The method was applied to a case study of residential building in Paris over 15 years. With three heat pump operating faults, the building consumption remarkably increased from the third year. At the 15th year, the building consumption is double than the standard value. The results underline the possibility of the proposed methodology

Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) sont des matériaux dont le comportement mécanique dépend de la sollicitation thermique. La prise en compte du couplage thermomécanique dans les modèles est nécessaire pour mieux comprendre ce type de matériau. Ces travaux de thèse s’intéressent donc aux outils numériques pour simuler les évolutions thermomécaniques de structures en alliages à mémoire de forme. Une nouvelle méthode de résolution est proposée, reposant sur la reformulation du problème incrémental en un problème de complémentarité linéaire et l’utilisation d’un algorithme de points intérieurs. Des simulations tests à température fixée ont permis de valider cette méthode. Enfin, d’autres simulations ont été réalisées pour étudier l’influence du couplage thermomécanique
Shape Memory Alloys (SMA) are materials on which mechanical behaviour depends of thermal solicitation. Thermomechanical coupling in models is necessary to understand better this kind of material. PhD thesis is concerned with the development of numerical tools for simulating thermomechanical evolutions of 3D SMA structures. In the approach that is presented, a crucial point consists in reformulating the incremental problem as a linear complementarity problem. This allows one to take advantage of interior point algorithms for solving the discretized evolutionary equations. Tests simulations with fixed temperature allowed to validate this approach. At least, others simulations have been made to study the influence of the thermomechanical coupling on the structural response

La détection des défauts non francs est un passage obligé dans la gestion de la maintenance des câbles (Wire Health Monitoring) et permet d’anticiper l’apparition de défauts francs engendrés par l'aggravation de défauts non francs. Ces travaux de thèse visent à étudier la problématique de défauts non francs dans les câbles électriques. L'étude proposée consiste à étudier le problème direct : modélisation électromagnétique et compréhension des phénomènes physiques liés à la présence des défauts non francs, et impact des défauts sur leurs signatures obtenues par réflectométrie. Il est proposé dans ce travail de caractériser des défauts non francs représentatifs de situations réelles, ce qui peut servir ultérieurement dans la résolution du problème inverse : déterminer la localisation et la sévérité des défauts à partir du réflectogramme en vue du diagnostic. L'approche proposée se fait en deux temps. Dans un premier temps, une caractérisation électromagnétique d’une zone localisée d’un câble présentant un défaut non franc est réalisée grâce à une modélisation électromagnétique prenant en compte la géométrie tridimensionnelle du défaut. Deux méthodes numériques ont été exploitées : une méthode de différences finies dans le domaine temporel (FDTD) et une méthode de Galerkin discontinu. Les résultats des simulations permettent d'exprimer les perturbations engendrées par le défaut et de déduire leur influence sur la propagation des signaux dans le câble. Des validations expérimentales menées dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel permettent de confronter les mesures aux prédictions numériques. Dans un deuxième temps, des modèles électriques de défauts sont exprimés sous forme de paramètres localisés R, L, C, et G qui peuvent être utilisés dans un modèle de ligne de transmission. Une telle analyse des défauts non francs permet de relier une faible variation locale des caractéristiques physiques et électriques de la ligne à une variation des signaux de réflectométrie et des paramètres électriques de la ligne. L’approche permet de fournir des informations utiles pour caractériser des défauts et peut ainsi contribuer à améliorer les performances des systèmes de détection
The soft fault detection feature is certainly a very important aspect of wire health monitoring and an important process required in electrical wiring system operation. It has a great influence on the security and quality of supply. In transmission line networks, this feature is needed to provide a timely identification of the faulted line thus anticipating the appearance of severe faults that are initially caused by soft fault degradation. This work focuses on soft fault problems in electrical fault diagnosis and their weak impact on coaxial transmission lines. The objective of this work is to carry out a soft fault forward model: electromagnetic modeling and investigating the behavior of the line after soft damages and then to analyze its effects on their signatures obtained by reflectometry. It is proposed in this work to characterize the representative soft damages in real situations, which could be used later in solving the inverse problem: determining the position and severity of defects from the reflectometry response for the diagnosis. The proposed approach is based on the following steps: first, an electromagnetic characterization of a faulty region of a cable is carried out by electromagnetic modeling, by taking into account the three-dimensional geometry of defect. For this purpose, two numerical methods have been used: Finite Difference Time Domain (FDTD) and a Discontinuous Galerkin. The simulation results allow to study the disruption initiated by the fault and to infer their influence on the signal propagation along the cable. The experimental validation provided in frequency- and time-domain allows to confront experimental measurements with simulation predictions. In a second step, electrical fault models are expressed in terms of lumped parameters R, L, C, and G, which can be used in a transmission line model. Such analysis of soft faults allows to relate low local variation of the physical and electrical characteristics of the line to a reflectometry signals variation and electrical parameters changes. The approach can provide useful information to characterize defects and can thus contribute to improve the performance of detection systems

Lors de cette étude, un banc de fatigue thermique a été mis au point pour conduire des essais sur une éprouvette cylindrique en acier X38CrMoV5 de dureté 42-47 HRC. Diverses conditions d'essai ont été investiguées, la température maxi du cycle thermique (500 à 685°C), et la vitesse de chauffage (0. 7 à 6. 5 s). L'effet de ces paramètres sur le dommage a été étudié. La densité et la morphologie des réseaux de faïençage ont été quantifiées par analyse d'images. Des champs de T, s et e ont été calculés par simulation numérique en conditions thermoélastoplastiques (ABAQUS). Des éprouvettes instrumentées ont permis de déterminer les gradients thermiques en surface et en profondeur pour différentes conditions de sollicitation. Une nouvelle approche a été choisie pour déterminer la densité de flux de chaleur imposée sur l'éprouvette maillée. Ces densités ont été d'abord estimées par la méthode adimensionnelle développée dans le laboratoire. L'oxydation joue un rôle important dans la formation de faïençage et dans la propagation de fissures. Il est montré que la densité de faïençage suit une variation sigmoïdale en fonction du Ncycles. La densité de faïençage maxi reste indépendante de Tmax. En revanche, elle est influencée par la vitesse de chauffage. Une relation quasi-linaire entre la densité de faïençage et la densité de flux thermique est mise en évidence. Quand la vitesse moyenne de chauffage dépasse un certain seuil, la densité de faïençage reste inchangée. A l'aide d'un calcul simplifié, l'évolution de la densité de faïençage en fonction de condition de sollicitation est expliquée par la différence de déformation thermomécanique des couches d'oxydes et de l'acier de base
This PhD works deals with an investigation on the effect of the maximum temperature (500-685°C) and the heating rate (1. 2-6. 5s) of the thermal cycle on thermal fatigue behaviour heat checking and cracking of X38CrMoV5. The s-e-T-t cycles are calculated by Abaqus using thermoelastoplastic constitutive laws. The dummy carefully instrumented specimen with several thermocouples (Type K) was used to measure the time-temperature cycles and different locations under various test conditions. These measurements were used in FEM simulations. These curves were used to optimise the transient thermal gradients calculated by Abaqus. A new approach based on normalisation of the thermomechanical characteristics of materials and the thermal cycle is used to estimate the initial heat-flux densities to be imposed on the surface of the specimen. It is observed that the oxidation plays an important role in the formation of the heat-checking and also in macroscopic cracking. It is observed that the heat-checking density presents a sigmodal variation as a function of the Ncycles. The maximum heat-checking density is independent the Tmax of thermal cycles, while is very much dependent on the heating rate. The heating checking density increases when hating rate increases. It is found that the heat-checking density is changes in as a linear function of the heat flux density. A simplified calculation has shown that the difference in heat-checking density can be explained by the difference in the thermomechanical strain of the oxide scale and the bulk steel. It is also shown that the heat-checking pattern changes as a function of the local stresses

Cette these traite de la modelisation des defaillances dues a la presence de particules accidentellement deposees sur un des masques de fabrication. Au niveau d'un circuit integre, ces defaillances se traduisent par la mise en relation de deux nuds independants dans le circuit sain. L'apparition de potentiels intermediaires et le caractere inconnu de la resistance de court-circuit constituent les caracteristiques principales de ces fautes. Dans une premiere hypothese considerant cette resistance comme nulle, un modele a ete developpe qui permet par simple comparaison de dimensions de transistors de connaitre la valeur logique a propager dans le circuit. Le second modele developpe dans l'hypothese de resistance non nulle, prend en compte implicitement cette resistance inconnue. La definition d'intervalles parametriques permet de determiner la probabilite de detection de chaque faute. Ces deux nouveaux modeles couvrent la grande majorite des courts-circuits avec une representativite et une maniabilite excellentes

Le travail presente dans cette these porte sur la recherche de structures efficaces pour le test integre de circuits vlsi combinatoires. La qualite d'une structure de test integre se juge sur le temps de test qu'elle implique, la surface de silicium qu'elle occupe, et le nombre de fautes qu'elle permet de detecter. Tout d'abord, nous presentons une methode qui permet d'initialiser un generateur de vecteurs afin que la sequence qu'il produit permette soit de faire apparaitre avec le moins d'erreurs possible un ensemble de vecteurs donnes, soit de detecter le plus de fautes possible. Nous presentons ensuite une structure de correction des vecteurs produits par ce generateur. Cette structure est un ensemble de masques utilises cycliquement pour modifier les valeurs des bits de ces vecteurs. Des algorithmes gloutons de construction d'une telle structure sont enfin proposes.

Cette etude montre qu'il est necessaire d'effectuer la determination des formes sous lesquelles les metaux lourds sont presents dans les residus de digestion anaerobie des dechets urbains, pour comprendre tous les phenomenes qui regissent la reactivite de ces micropolluants. La speciation des metaux lourds est alors realisee grace a des fractionnements granulometriques, des techniques electrochimiques et une modelisation des equilibres thermodynamiques adaptee a des substrats de composition heterogene. La digestion anaerobie fixe les metaux lourds a des matieres en suspension de faibles dimensions, sous des formes tres stables constituees essentiellement de precipites avec les sulfures. Ceci reduit considerablement les risques de toxicite et la mobilite des metaux lourds dans l'environnement, toutefois une elimination des metaux contenus dans les residus de digestion anaerobie s'en trouve alors defavorisee

Le composé γ1−Al4Cu9 est souvent observé dans le système Al-Cu, comme produit principal de divers processus hors d’équilibre, en particulier la mécanosynthèse (MS). Sa formation est très surprenante à partir de mélanges riches en Al, en raison de l’existence, dans ce domaine de composition, de nombreux autres composés intermétalliques concurrents potentiels de γ1. Pour préciser les conditions d'apparition de γ1 et élucider les raisons de sa persistance, des mélanges de Al−25 at.% Cu sont broyés et la formation des phases ordonnées Al-Cu durant la MS est étudiée en détail pour différentes durées de processus. Cette étude expérimentale confirme la formation préférentielle de γ1. Afin d'élucider cette surprenante constatation, des calculs ab initio par la méthode de la fonctionnelle de densité (DFT) sont effectués, prenant en considération les enthalpies de défauts ponctuels pour γ1−Al4Cu9. A l’aide de l’approximation des défauts ponctuels indépendants (ADPI) et de la thermodynamique statistique, les diverses concentrations en antisites, lacunes et interstitiels sont obtenues en fonction de la température et de la déviation de stœchiométrie, ainsi que l'énergie libre de γ1−Al4Cu9. Des calculs analogues sont également réalisés pour des composés Al-Cu concurrents, dont la confrontation avec γ1−Al4Cu9 révèle que le comportement de ce dernier hors stœchiométrie fournit une explication plausible pour sa stabilité anormale. Dans une seconde étape, la validité de l’ADPI et les interactions de défauts ponctuels sont étudiées par (i) des simulations Monte-Carlo avec des potentiels semi-empiriques pour Al−Cu, (ii) des simulations ab initio de défauts ponctuels complexes dans les composés hors stœchiométrie γ1 riches en Al. La dernière étape de nos investigations sur la formation de γ1−Al4Cu9 concerne la possibilité de mécanismes athermiques, étudiée à l'aide des calculs DFT et d'une approche originale M2BCE de développements en amas incluant un traitement dans l’espace réciproque. En conclusion, cette étude apporte des éléments significatifs pour interpréter l’apparition préférentielle de phases complexes comme γ1−Al4Cu9 dans divers environnements a priori défavorables. Elle met en évidence des résultats-clés concernant l'origine et la nature des phases métastables produites par MS dans le système Al-Cu. Diverses possibilités sont également suggérées pour des travaux futurs, en vue d’accroître davantage notre connaissance des facteurs gouvernant la stabilité des phases (méta)stables
The γ1−Al4Cu9 compound is often observed at Al rich composition, as the main product by mechanical alloying (MA). To understand the conditions and the persistence of γ1−Al4Cu9 at Al rich composition, Al−25 at.% Cu mixtures were milled and investigated by various characterization methods. This experimental study confirms the preferential formation of γ1. In an effort to elucidate this surprising feature, first-principles DFT calculations were performed for bulk and point defect enthalpies in γ1−Al4Cu9. Based on the independent-point-defect-approximation (IPDA) and statistical thermodynamics, the concentrations of the various antisites, vacancies and interstitials were obtained as functions of temperature and deviation from stoichiometry, together with the free energy of γ1−Al4Cu9. These first-principles DFT calculations results revealed that the off−stoichiometry behavior of γ1−Al4Cu9 may provide a plausible explanation for its unusual stability. In a second step, the validity of IPDA and point defect interactions were investigated by (i) Monte-Carlo simulations with empirical potentials for Al−Cu, (ii) ab initio simulations of complex point defects in Al-rich off-stoichiometric γ1 compounds. The last step of this study on the formation of γ1−Al4Cu9 was concerned with the possibility of athermal mechanisms, investigated by first-principles DFT calculations and an original (M2BCE) cluster expansion approach including a reciprocal-space treatment. In conclusion, this study brings significant elements to interpret the preferential formation of complex γ1−Al4Cu9 phases in various a priori unfavourable environments. It evidences key-results regarding the origin and nature of metastable phases produced by MA in Al−Cu

Deux nouvelles techniques non destructives de caracterisation des materiaux semiconducteurs sont presentees. La microscopie a saut de phase ainsi que la microscopie a glissement de franges sont deux methodes optiques basees sur l'interferometrie. Leurs caracteristiques complementaires ont permis de les regrouper sur un meme instrument qui permet, grace a un systeme de traitement d'images par ordinateur, de cartographie la surface de couches minces ou des composants microelectroniques. Une comparaison de ces methodes ses presentee et des exemples d'applications illustrent les proprietes de ces techniques. Les problemes de l'interferometrie en lumiere monochromatique et en lumiere blanche qui sont abordes introduisent le besoin d'un logiciel de simulation de ces phenomenes. Les premiers resultats de simulation sont presentes et discutes dans le but d'optimiser les performances du systeme

AFIN D'OBTENIR LES PROPRIETES METALLURGIQUES OPTIMALES DU MATERIAU, LES CULASSES AUTOMOBILES EN ALLIAGE D'ALUMINIUM SUBISSENT UN TRAITEMENT THERMIQUE (TREMPE-REVENU) GENERANT D'IMPORTANTES CONTRAINTES RESIDUELLES. LEUR MODELISATION EST NECESSAIRE POUR POUVOIR PREDIRE LA TENUE EN FATIGUE POLYCYCLIQUE. LES CONTRAINTES RESIDUELLES ETANT PILOTEES PAR LA THERMIQUE DE TREMPE, IDENTIFIER L'HISTOIRE THERMIQUE DU REFROIDISSEMENT EST PRIMORDIAL. LES COEFFICIENTS D'ECHANGE H(T), MODELISANT LES TRANSFERTS THERMIQUES AVEC L'EXTERIEUR, DETERMINENT LE REFROIDISSEMENT. LEUR EVOLUTION EST DEFINIE PAR UNE FONCTION ANALYTIQUE SIMPLE DONT LES PARAMETRES SONT RECALES PAR OPTIMISATION A PARTIR DE DONNEES EXPERIMENTALES. UNE FOIS L'HISTOIRE THERMIQUE SIMULEE CORRECTEMENT, LES CONTRAINTES RESIDUELLES SONT OBTENUES SUITE A UN CALCUL MECANIQUE METTANT EN EVIDENCE, DANS LES REGIONS A RISQUE, DES ZONES DE TRACTION DEFAVORABLES A LA TENUE EN SERVICE. LA PRISE EN COMPTE DE CET ETAT INITIAL PERMET ALORS DE CARACTERISER LES ZONES CRITIQUES EXPERIMENTALEMENT OBSERVEES. PAR AILLEURS, AFIN DE RENDRE L'OUTIL OPERATIONNEL EN BE, IL EST NECESSAIRE DE PROPOSER UNE METHODE NUMERIQUE PERMETTANT DE DIMINUER LES DUREES DE SIMULATION POUR LA RESOLUTION D'UN PROBLEME D'EVOLUTION ET POUR LA RECHERCHE DIRECTE DE LA REPONSE STABILISEE D'UNE STRUCTURE SOUMISE A UN CHARGEMENT CYCLIQUE. L'APPROCHE DEVELOPPEE REPOSE SUR LA METHODE A GRAND INCREMENT DE TEMPS ET LA METHODE CYCLIQUE DIRECTE : L'EQUILIBRE GLOBAL, ECRIT SOUS SA FORME RESIDUELLE, EST RESOLU SUR UNE BASE D'ONDELETTES REDUITE. DES GAINS SIGNIFICATIFS EN TEMPS CPU SONT OBTENUS POUR LA RECHERCHE DU CYCLE STABILISE.

Les matériaux composants les réacteurs nucléaires subissent des conditions d’irradiationsévères, donnant lieu à des modifications de leurs propriétés mécaniques. Le vieillissement de cesmatériaux soulève des questions aussi importantes que celles liées à la sécurité des centrales existantes etaux futurs réacteurs à fission et à fusion. Dans plusieurs situations les matériaux de structure cristallinecubique centrée CC sont utilisés ayant pour base le fer, le tungstène, le vanadium et le tantale. Lescollisions entre les particules irradiantes et les atomes constituants les matériaux engendrent des défautsponctuels dont la migration mène à la formation d’amas responsables du vieillissement. Dans cette thèsenous avons étudié les propriétés énergétiques des défauts ponctuels dans les métaux CC citésprécédemment à l’échelle atomique. La modélisation des défauts ponctuels à l’échelle atomique peut êtreréalisée avec différentes méthodes se différenciant uniquement par la qualité de la description del’interaction entre atomes. Les études utilisant des interactions atomiques exactes, type ab initio,nécessitent des calculs lourds rendant impossible l’étude directe des amas de grandes tailles. Avec lamodélisation des interactions atomiques via les potentiels semi-empiriques on réduit la fiabilité et lecaractère prédictif du calcul. Ceux-ci permettent toutefois de réaliser une étude des amas en fonction deleur taille. Dans cette thèse nous avons développé un modèle énergétique original pour les boucles dedislocation ainsi que pour les amas interstitiels tridimensionnels de type C15. Le modèle obtenu est sanslimite de taille et peut être paramétré entièrement par les calculs ab initio. Afin de tester sa robustessepour les grandes tailles d’amas nous avons également paramétré ce modèle par rapport à des calculs enpotentiels semi-empiriques et comparé les prédictions du modèle aux simulations atomiques. Grâce ànotre développement nous avons pu déterminer : (i) la stabilité relative des boucles de dislocationd’interstitiels d’après leur vecteur de Burgers. (ii) La stabilité des amas C15 par rapport aux amas de typeboucle. Nous avons montré que les amas de type C15 étaient plus stables lorsqu’ils impliquent moins de41 interstitiels dans le fer. (iii) Dans le Ta nous avons pu mettre en évidence la même stabilité jusqu’à 20interstitiels. Les expériences dans le fer irradié montrent qu’en fonction de la température d’irradiation, ilse forme des boucles de dislocation très mobiles de vecteur de Burgers ½<111> ou immobiles ayant unvecteur de Burgers <100>. Les mécanismes de formation sous irradiation en fonction de la température,des amas de type <100> étaient une question restée sans explication théorique depuis 50 ans. Dans cettethèse, grâce à la précision de notre modèle énergétique, nous avons pu tester plusieurs théories.Notamment nous avons montré que les amas C15 constituent un catalyseur dans la formation des boucles<100>. Les clusters C15 peuvent se former, par germination, directement dans le processus d’irradiation.Ces clusters sont immobiles et peuvent croitre. A partir d’une certaine taille les amas C15 se dissocienten boucles ½ <111> ou <100>. Nous avons étendu notre modèle au calcul d’énergie libre de formationdes défauts permettant ainsi des prédictions à température finie que nous avons comparées auxsimulations atomiques. Les lois établies dans cette thèse en utilisant notre modéle pour calculer l’énergielibre de formation en fonctions de la taille des amas, ont été ensuite utilisées dans une simulation dedynamique d’amas. Nous avons ainsi pu prédire avec un très bon accord expérience-théorie laconcentration des amas d’interstitiels en fonction de leurs tailles au cours du murissement d’Oswald postirradiationdans un échantillon de Fer sous atmosphère d’Hélium. Le succès d’une telle approche nouspermet d’espérer étendre ce type d’étude à des matériaux plus complexes
The structural materials in nuclear reactors are subjected to severe irradiation conditions,leading to changes in their mechanical properties. The aging of these materials raises important issuessuch as those related to the safety of existing plants and future reactors. In many cases, materials withbody-centered cubic bcc crystal structure are used with iron, tungsten, vanadium and tantalum as basemetal. Collisions between irradiating particles and atoms constituting materials generate point defectswhose migration leads to the formation of clusters responsible for aging. In this thesis, we studied theenergetic properties of point defects in the bcc metals mentioned above at the atomic scale. Modelingpoint defects at the atomic scale can be achieved with different methods that differ only in the quality ofthe description of the interaction between atoms. Studies using accurate atomic interactions such ab initiocalculations are computationally costly making it impossible to directly study clusters of large sizes. Themodeling of atomic interactions using semi-empirical potentials reduces the reliability of predictivecalculations but allow calculations for large-sized clusters. In this thesis we have developed a uniqueenergy model for dislocation loops as well as for three-dimensional interstitial cluster of type C15. Theresulting model has no size limit and can be set entirely by ab initio calculations. To test its robustness forlarge sizes of clusters we also set this model with semi-empirical potentials calculations and comparedthe predictions of the model to atomic simulations. With our development we have determined: (i) Therelative stability of interstitial dislocation loops according to their Burgers vectors. (ii) The stability of theclusters C15 compared to the type of cluster loop. We showed that the C15 type clusters are more stablewhen they involve less than 41 interstitials in iron. (iii) In Ta we were able to show the same stability till20 interstitials. The experiments involving iron show that depending on the irradiation temperature,highly mobile dislocation loops of Burgers vector ½ <111> or loops with Burgers vector <100> areformed. Considering formation mechanisms under irradiation as a function of temperature, formation ofthe <100>-type clusters lacked an acceptable theoretical explanation for about 50 years. In this thesis, theaccuracy of our energy model enabled validation of several theories proposed in the last 50 years. Inparticular we have shown that the formation of loops <100> at high temperatures can be formed fromC15 clusters which may be created directly in the irradiation process. These clusters are immobile andcan grow. Beyond a certain size, the C15 clusters dissociate into loops ½ <111> or <100>. We haveextended our model to free energy calculation of defect formation allowing for finite temperaturepredictions which is further compared to atomic simulations. The laws established in this thesis using ourmodel to calculate the free energy of formation of the cluster size functions were then used in a clusterdynamics simulation. On comparison with experiments involving post-irradiation Oswald ripening in asample of iron exposed to an atmosphere of helium, our energy model showed significant improvementsover older energy laws, such as the capillary law widely-used in multiscale computation cluster dynamicsor Monte Carlo kinetics. We conclude that the new laws established from our calculations are essential topredict the concentration of dislocation loop under irradiation, depending on their sizes. The success ofsuch an approach encourages extension of a similar study in more complex materials

Après la découverte de Bednorz et Muller de la supraconductivité à haute température critique dans des oxydes à base de cuivre, chu et wu annoncent une transition supraconductrice à 92 k pour le composé YBa2Cu3O7-x (0