UPThèses

Cette thèse vise à améliorer la compréhension du phénomène appelé " dwell-effect ", observé sur la plupart des alliages de titane, consistant en une chute de durée de vie en fatigue suite à l'introduction de temps de maintien à la charge maximale du cycle de fatigue. Cette étude a permis de montrer que ce phénomène résulte d'un amorçage plus précoce et d'une fissuration plus rapide sous chargement de fatigue-dwell. Les analyses menées sur les éprouvettes de fatigue et de fluage ont révélé que l'activation de glissements basal ou pyramidal peut être à l'origine d'un endommagement interne par formation de cavités. De plus, cette étude montre que l'hydrogène interne, dans la gamme de teneurs 30-300 ppm, a un effet bénéfique sur les durées de vie, sans pour autant modifier les mécanismes de déformation et d'endommagement. Pour une teneur inférieure à 150 ppm, cet effet bénéfique peut être expliqué par l'augmentation de la limite élastique avec la teneur en hydrogène ; au-delà de cette teneur, l'accroissement de la limite d'élasticité ne suffit plus à expliquer l'effet bénéfique de l'hydrogène sur les durées de vie en fatigue. Les différents essais de fissuration ont montré que l'augmentation de la vitesse de fissuration sous air sous chargement de fatigue-dwell est le résultat de la combinaison des effets néfastes de l'environnement et de l'hydrogène interne. Le rôle exact de l'hydrogène reste à préciser mais il pourrait être à l'origine de la formation de micro fissures dans les zones de forte triaxialité de contraintes. Des analyses par micro empreintes montrent que l'hydrogène passe de la phase b à la phase a au niveau des bandes de glissement, via les dislocations. Enfin, l'intégration des lois de fissuration permet de reproduire convenablement l'évolution de la longueur d'une entaille au cours d'essais de fatigue.

L'objectif de ce travail est d'ajuster la position spectrale de la résonance plasmon de surface de nanoparticules de métaux nobles dispersées dans un matrice diélectrique, en contrôlant leur morphologie et leur organisation spatiale. Nous montrons que lorsque la croissance est réalisée sur des substrats plans, il est possible de jouer sur la nature de la matrice pour modifier le rapport d'aspect hauteur sur diamètre H/D des particules, et donc leur réponse optique. Des analyses structurales quantitatives menées par microscopie électronique en transmission à balayage (HAADF-STEM) font apparaître que H/D est une fonction décroissante du diamètre D, indépendamment de la quantité de métal déposé. Afin de comprendre ces effets de la matrice sur les propriétés structurales et optiques des particules, différentes études (influence du métal et de la quantité déposés, présence d'une couche tampon, influence des conditions d'élaboration, vitesse de recouvrement des particules, . . . ) sont menées et des simulations numériques des spectres de transmission sont réalisées en intégrant dans un modèle de Yamaguchi les paramètres structuraux issus de l'analyse HAADF. Une autre approche consiste à utiliser des surfaces d'alumine nanostructurées afin d'induire une organisation surfacique des particules et ainsi entraîner une anisotropie de leurs propriétés optiques. Nous montrons que selon la géométrie de dépôt utilisée (incidence normale, incidence rasante, orientation et angle d'incidence du flux atomique), il est possible par effet d'ombrage de sélectionner le type de facettes sur lesquelles la croissance a lieu, et par conséquent d'organiser les nanoparticules d'argent sur la surface sous forme de bandes ou de chaînes linéaires, dont les propriétés optiques présentent une dépendance à la polarisation de la lumière incidente.

Les lois régissant le comportement mécanique des matériaux cristallins présente une forte dépendance à la microstructure de ces derniers, et notamment, à la taille des cristallites lorsqu'ils atteignent l'échelle nanométrique. Le contrôle de la structuration des échantillons est assuré par la stratification de matériaux immiscibles, tungstène et cuivre, de réponse mécanique élastiquement isotrope et anisotrope, respectivement. La caractérisation des films réalisés par dépôts en phase vapeur a été réalisée par analyse combinée de clichés de microscopie électronique et données de diffraction et diffusion des rayons X. L'instrumentation alors mise en oeuvre afin d'accéder à la réponse élastique est la traction in situ de films minces de type composite W/Cu supportés, couplée à la diffraction des rayons X. Ce travail de recherche témoigne de la forte complémentarité entre les caractérisations microstructurales de microscopie électronique et de diffraction des rayons X, nécessaires à l'interprétation des résultats des essais de traction in situ, notamment en termes de modélisation. Il a ainsi pu être mis en évidence le caractère dispersoïde des fines couches de cuivre déposées et ainsi qu'une répartition particulière des orientations préférentielles au sein des couches de tungstène, <110> et <111>. Les résultats obtenus sur composites W/Cu à dispersoïdes quasi-isotrope de cuivre et lamellaires ont très clairement révélé un effet de structure et de taille sur les sous-couches de tungstène. Une étude plus approfondie du domaine élastique au sein de composites lamellaires a non seulement révélé que son étendue présentait une forte dépendance aux contraintes résiduelles, mais aussi que l'apparition des dislocations au sein des couches de cuivre entraînait un transfert de charge vers les couches de tungstène, conduisant à la fissuration en mode II.

La protection des matériaux contre l'oxydation est un domaine de recherche important et il existe déjà de nombreuses méthodes basées, pour la plupart, sur le dépôt de revêtements anti-corrosion à la surface de pièces massives. Cependant, sous l'effet de diverses sollicitations de type mécanique, la barrière de protection peut être endommagée (détèrioration partielle ou complète), et dans ce cas, le matériau massif sous-jacent se trouve alors en contact direct avec l'atmosphère agressive environnante. Pour palier à ce problème, et dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes fixés comme objectif, dans un premier temps, de revêtir chacune des particules métalliques d'une couche résistant à l'oxydation. L'objectif ultime étant d'utiliser la métallurgie des poudres pour former un matériau massif par frittage de ces poudres revêtues. Ainsi, le matériau composite obtenu par cette voie sera protégé à "coeur", à l'échelle de chaque particule, contre l'oxydation. Le procédé de mécanofusion a permis de revêtir des particules de fer par de l'alumine. Le procédé de dépôt chimique en phase vapeur à partir d'un organo-métallique a permis la formation d'une couche d'aluminium à la surface de particules de fer en lit fluidisé. Cette couche d'aluminium est surmontée d'une couche d'alumine métastable. L'étude des cinétiques d'oxydation a montré que les particules de fer revêtues d'une bi-couche Al/Al2O3 ne s'oxydent pas. L'oxydation des particules de fer revêtues d'alumine est, quantà elle, plus lente que celle des particules de fer non revêtues. Aux plus basses températures (T < 600°C), l'oxydation résulte de l'incursion d'oxygène gazeux à travers les pores et fissures du revêtement. Aux plus hautes températures, l'oxydation résulte de la diffusion des cations fer à travers la couche d'alumine. Les matériaux massifs élaborés par frittage flash des particules de fer revêtues d'alumine conservent la microstructure initiale des particules revêtues. Lors du frittage par compression isostatique à chaud, le revêtement se retrouve sous forme d'îlots au sein d'une matrice de fer. Dans les deux cas, l'alumine se transforme en un composé ternaire de formule FeAl2O4 appelé hercynite. Les essais d'oxydation, menés à 720°C sur ces échantillons frittés, montrent que la présence d'hercynite permet de ralentir le processus d'oxydation, et que les massifs ayant conservé la microstructure initiale des particules revêtues présentent la plus faible vitesse d'oxydation.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la nucléation de dislocations depuis la surface d'un métal cfc sous contrainte, par le biais de simulations à l'échelles atomiques et de modèles basés sur la théorie élastique des dislocations. La nucléation depuis les surfaces, qui initie la plasticité dans les matériaux à l'échelle nanométrique, implique le franchissement d'une barrière d'énergie ; celui-ci se fait par activation thermique. Nous avons pu déterminer le rôle de différents facteurs, comme la température ou l'état de surface, sur l'évènement de nucléation. Plusieurs méthodes atomistiques ont été employées de concert pour déterminer les paramètres d'activation associés à la barrière d'énergie : le rayon critique que la dislocation doit atteindre pour devenir stable et se propager, l'énergie et le volume d'activation. Enfin, des éléments sur la cinétique des dislocations et sur les évènements plastiques subséquents à la nucléation ont pu être obtenus.

Ce projet porte sur la caractérisation de l'alliage d'aluminium aéronautique 2024 en propagation de fissure de fatigue dans une solution saline. Le premier objectif est la caractérisation des synergies entre le chargement cyclique, la métallurgie et la corrosion, et l'analyse de leur influence sur la fissuration en fatigue en immersion permanente en solution saline. Les interactions complexes entre le chargement mécanique, la métallurgie et la corrosion, contrôlées par le temps de mise en charge, sont discutées dans le cadre d'une compétition entre la passivation de la pointe de fissure et la fragilisation par l'hydrogène, assistée par la dissolution anodique. Le deuxième objectif est l'étude de la différence entre une exposition permanente et une exposition séquentielle à la solution saline lors de la fissuration en fatigue. Sous certaines conditions, une nette accélération de la fissuration est observée lors d'une immersion séquentielle par rapport à une immersion permanente, ce qui peut conduire à des durées de vie estimées supérieures aux durées de vie réelles des structures soumises à une exposition séquentielle à la corrosion saline. Pour les deux premiers objectifs, la contribution possible d'un dommage de type corrosion sous contrainte est évaluée, en terme de vitesses de propagation, en fonction du chargement mécanique et de l'environnement. Le dernier objectif traite de la possibilité d'appliquer les résultats obtenus ici pour le 2024 à d'autres alliages d'aluminium.

The Ph.D. work objective was the measurements of the mechanical properties of polymer foils and metal coated polymers, in connection with their microstructures. Two similar micro-tensile deformation devices were developed, which differ by their original non-contact deformation measurement techniques that are electronic speckle pattern interferometry and optical mark-tracking, at the Universities of Kaunas and Poitiers, respectively. The elongation range of both equipments allows for the investigation of elastic and plastic properties of polymer foils, coated polymer foils with thin metallic films. The substrates were either Kapton(r) HN or PET foils that were coated by electron beam evaporation with Al, Ag, Cr and Ni 0.5 thick thin films on both sides. The Young's moduli of the metallic thin films (Ef) were deduced from the stress-strain curves of the substrates and of the metallic/substrate composites. For Al and Ag, the deduced Ef values are in good agreement with those of bulk materials (Eb), while the Ef values for Ni and Cr are found drastically smaller than those of Eb. It was however observed that the Al and Ag metallic layers were uniform, whereas Ni and Cr films were far less regular and exhibit cracks. The microstructures and metal/polymer interfaces were essentially studied on the Ag/PET system. The influence of metal coverage on interface composition, structure, morphology and particle size has been studied by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM) and X-ray diffraction (XRD). In addition, the role of deposition temperature over the temperature range 20°C-140°C, i.e. below and above Tg (Tg = 80°C is the PET glass transition temperature), was also examined to understand how microstructure, residual stress, chemical composition and morphology of the Ag/PET layer structure is affected. It was observed that Ag 1 μm thick films evaporated at different temperatures show a compressive stress state with either a (111) texture component below Tg or a random grain orientation above Tg. The texture is formed at the very early stage of growth, at a thickness of nearly 20 nm where the Ag film is still discontinuous. Within the investigated temperature range, the Ag grain size does not depend on the deposition temperature and the deposited films are mostly composed of pure Ag with partially oxidized surface.

L'endommagement induit par implantation de xénon dans le silicium a été étudié par microscopie électronique à transmission (MET). Les implantations réalisées à 350°C, à une énergie de 250keV et pour des fluences supérieures à >1x1016 Xe ions/cm2 conduisent à la formation d'une couche amorphe enterrée. Les observations effectuées sur les échantillons recuits montrent la présence d'une rangée de grandes cavités allongées dans la direction perpendiculaire à l'interface. Ceci suggère que, lors de la recristallisation du silicium, le déplacement simultané des deux interfaces entraîne le déplacement du gaz jusqu'à son confinement dans de larges bulles. Afin de mieux appréhender les mécanismes qui conduisent au mouvement des bulles, de l'hélium à faible dose a été implanté dans du silicium préalablement amorphisé par implantation de Li à basse température. L'implantation d'hélium dans le silicium amorphe conduit à la formation de bulles de forme irrégulière. Ce résultat diffère du silicium cristallin où des bulles sphériques sont obtenues pour des conditions d'implantation identiques. Les expériences réalisées 'in situ' dans le MET montrent clairement d'une part que les bulles sont poussées par l'interface, et d'autre part la nucléation de micromacles. Il a été mis en évidence au cours de cette étude que les bulles sont mobiles à plus basse température dans le silicium amorphe que dans la phase cristalline. Lors de la recristallisation, les bulles se trouvent alors confinées dans le matériel amorphe, ce qui résulte en leur coalescence et à la formation de larges bulles une fois que les deux fronts de recristallisation se sont rejoints. De plus, il a été établi que la formation de micromacles dans la région recristallisée est liée à un excès de défauts de type interstitiels dans la zone amorphe. Ce résultat est contraire aux modèles de la littérature qui suggèrent que les micromacles se forment soit sur des plans {111} soit sur les bulles.

L'influence de différentes méthodes de préparation de surface sur la microstructure et les propriétés électriques des contacts à base Co sur n-Ge a été étudiée. Il a été montré que les nettoyages thermiques s'accompagnent de la diffusion d'impuretés métalliques dans le substrat. Lors du recuit, ces impuretés sont piégées par la formation des germaniures de cobalt. Un nettoyage à 700°C ou une attaque au HF permettent d'éliminer l'oxyde de germanium natif à l'interface M/SC, contrairement à un nettoyage thermique à 400°C qui cependant modifie la nature chimique de l'oxyde. Pour tous les échantillons, une microstructure complexe est observée après formation des germaniures. Les échantillons présentent une augmentation de la rugosité de l'interface M/SC et la coexistence des phases Co5Ge7 et CoGe2. Après un nettoyage à 400°C, une microstructure particulière, attribuée à l'oxyde restant après "nettoyage" est observée. Dans tous les cas, le modèle thermoïonique ne suffit pas à expliquer le comportement des diodes Schottky. En particulier, les valeurs obtenues pour la constante de Richardson sont très en deçà de la valeur attendue. Par une analyse en température des hauteurs de barrières, nous avons montré la nécessité de raisonner en terme d'inhomogénéités de barrière, ces dernières étant influencées par la microstructure. De plus, un fort ancrage du niveau de Fermi est observé pour les contacts directs M/SC alors qu'il est partiellement levé par l'oxyde de germanium natif présent à l'interface M/SC. Finalement, nous avons montré que ce désencrage du niveau de Fermi est lié à la nature chimique de l'oxyde.

Dans ce travail, nous avons étudié le comportement structural des films minces d'oxyde d'yttrium sous faisceau d'ions, lors de leur élaboration et sous irradiation. Une attention particulière a été portée sur le rôle des défauts cristallins en combinant les techniques de DRX, MET et RBS. Les films déposés sur différents substrats par pulvérisation ionique présentent un écart important par rapport à la structure cubique-C idéale, avec de nombreux défauts induits lors de la croissance par effet d'" atomic peening " (lacunes d'oxygène et paires anti-Frenkel). L'état de contrainte résultant a été décrit par un modèle triaxial, permettant d'interpréter les évolutions expérimentales observées. Les cinétiques de remise en ordre sous recuit de la structure défective ont été étudiées par DRX in situ. Une forte influence de la contrainte initiale (et donc de l'énergie élastique emmagasinée) a été clairement mise en évidence. Pour les forts états de contraintes résiduelles, la transformation est observée à basse température (dès 250°C). Une approche thermodynamique justifie que la structure cubique-C défective peut être assimilée à une phase de type fluorine stabilisée par la contrainte. Enfin, deux comportements sont observés sous irradiation aux ions xénon, avec à basse énergie (<180 keV) une amorphisation de la structure, et à haute énergie une transition cubique-monoclinique. Pour justifier l'existence de ces deux régimes, le mécanisme de transformation a été expliqué par un effet de stabilisation, par la contrainte, de boucles lacunaires dans les plans {111}, de rayon sur-critique dépendant de la taille des cascades.