N° d'ordre

Simon Perusin

Description

Niveau: Supérieur
N° d'ordre : 2164 THESE ____________ présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Science et Génie des Matériaux par Simon PERUSIN CONSEQUENCES DE L'OXYDATION HAUTE TEMPERATURE SUR L'INJECTION DE DEFAUTS ET LE COMPORTEMENT MECANIQUE DES MATERIAUX METALLIQUES Soutenue le 17 Novembre 2004 devant le jury composé de : M. G. SAINDRENAN Professeur à l'Université de Nantes Président M. D. DELAFOSSE Professeur à l'E.N.S.M.S.E Rapporteur M. C. COUPEAU Professeur à l'Université de Poitiers Rapporteur Mme. F. PETTINARI-STURMEL Maître de Conférences à l'U.P.S Examinatrice M. T. IUNG Ingénieur Arcelor Research Examinateur M. E. ANDRIEU Professeur à l'I.N.P. Toulouse Directeur de thèse Mme. L. MIGNOT-SCHMIRGELD Ingénieur C.E.A Invitée M. J. FURTADO Ingénieur Air Liquide Invité

• mignot-schmirgeld ingénieur


• ingenieur au cea-saclay


• centre arcelor


• ingenierie des materiaux de toulouse


• professeur guy


• pettinari-sturmel maître de conférences

Sujets

• Viguier
• Sabatier
• Famille Séchan
• Deschamps
• Institut national polytechnique
• Armand
• Monceau

Informations

• Publié par: profil-nechor-2012
• Publié le: 01 novembre 2004
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Extrait

N° d'ordre : 2164


THESE
____________


présentée

pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR
DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE
DE TOULOUSE

Spécialité : Science et Génie des Matériaux

par


Simon PERUSIN



CONSEQUENCES DE L'OXYDATION HAUTE
TEMPERATURE SUR L'INJECTION DE DEFAUTS ET
LE COMPORTEMENT MECANIQUE DES
MATERIAUX METALLIQUES



Soutenue le 17 Novembre 2004 devant le jury composé de :

M. G. SAINDRENAN Professeur à l'Université de Nantes Président
M. D. DELAFOSSE Professeur à l'E.N.S.M.S.E Rapporteur
M. C. COUPEAU Université de Poitiers
meM . F. PETTINARI-STURMEL Maître de Conférences à l'U.P.S Examinatrice
M. T. IUNG Ingénieur Arcelor Research inateur
M. E. ANDRIEU Professeur à l'I.N.P. Toulouse Directeur de thèse

meM . L. MIGNOT-SCHMIRGELD Ingénieur C.E.A Invitée
M. J. FURTADO Ingénieur Air Liquide Invité


Remerciements
Ce travail de th`ese a ´et´e r´ealis´e au sein de l’´equipe M´ecanique - Microstructure - Oxydation
du Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ing´enierie des Mat´eriaux de Toulouse (CIRI-
MAT - UMR 5085, INPT/UPS/CNRS).
Je tiens a` exprimer ma profonde reconnaissance a` Monsieur le Professeur Guy Saindrenan de
l’Ecole Polytechnique de l’Universit´e de Nantes pour avoir assur´e la pr´esidence de mon jury de
th`ese. Mes plus sinc`eres remerciements vont ´egalement `a Messieurs David Delafosse, Professeur
a` l’Ecole des Mines de Saint-Etienne, et Christophe Coupeau, Professeur a` l’Universit´e de Poi-
tiers, qui ont accept´e d’ˆetre rapporteurs de ce travail.
Je remercie ´egalement Madame Florence Pettinari-Sturmel, Maˆıtre de Conf´erences a` l’Univer-
sit´e Paul Sabatier de Toulouse, Madame Lelia Mignot-Schmirgeld, Ing´enieur au CEA-Saclay, et
Monsieur Jader Furtado, Ing´enieur chez AirLiquide, pour avoir accept´e de faire partie de ce jury.
Je suis ´egalement tr`es reconnaissant a` Monsieur Thierry Iung, du centre Arcelor Research,
d’avoir port´e un regard pertinent sur mon travail; sa pr´esence dans le jury fut pour moi un
grand plaisir.
La partie exp´erimentale de ce travail doit beaucoup aux comp´etences techniques de nombreuses
personnes. Je tiens ainsi a` t´emoigner de ma gratitude a` M. Jean-Claude Salabura, v´eritable
G´eo trouve tout de l’´equipe et sans qui une bonne partie des essais m´ecaniques n’aurait pas pu
ˆetre r´ealis´ee. Merci ´egalement `a Jean-Baptiste Deschamps qui a largement particip´e `a la mise
en place des essais, parfois ”explosifs”. Doivent ´egalement ˆetre remerci´e(e)s : Marie-Christine
Lafont (CIRIMAT) pour les analyses en microscopie en transmission, Claude Armand (INSA
Toulouse), sp´ecialiste du SIMS s’il en est, Laurence Ressier (INSA Toulouse), qui m’a initi´e
aux joies de l’AFM et Jean-Pierre Bonino (CIRIMAT), expert en interf´erom´etrie optique.
Je remercie tr`es sinc`erement l’ensemble du personnel du laboratoire (permanents, doctorants,
stagiaires) au sein duquel r`egne une ambiance tr`es chaleureuse. Plus particuli`erement je tiens a`
saluer les docteurs du cru 2004 : V´ero, Nadia et Fred qui ont d´emarr´e et termin´e l’aventure avec
moi. Merci ´egalement aux ”vieux”docteurs : Nathalie, Seb D., Seb C., J´erˆome et aux ”jeunes”
doctorants : Emilie, Mayerling, S´everin.
Merci a` mes amis d’enfance qui, fiers comme moi de leurs origines du Sud-Ouest, ne peuvent
imaginer nos retrouvailles biannuelles que par une r´eunion autour d’une bonne table. Merci `a :
Julien C., Yug, Jeannot, Julien B., Christophe S., Toins et Quentin.
L’adage ”Mens sana in corpore sano” me conduit a` saluer comme il se doit ceux qui comme
imoi sont passionn´es par le ballon ovale et avec qui j’ai pass´e de merveilleuses ann´ees au sein des
clubs que j’ai pu fr´equenter : Christophe, Jojo, Eric, Marc, Brice, Didier, Fabien, Paul, Lionel,
Tine, Alex, Mathieu, Oliv, Yann.
Bien suˆr, au moment ou` j’´ecris ces quelques phrases, je pense a` l’ensemble de mes proches :
merci a` Rhisl`ene, ”celle qui tous les jours partage mon cassoulet” (dixit Renaud S´echan), qui
m’a soutenu dans les moments difficiles et qui, surtout, me permet tous les soirs de sortir de
ma ”bulle scientifique”. Merci ´egalement `a mes parents, a` ma soeur, a` mes grands-parents et `a
ma Nana sans qui rien de tout cela n’aurait ´et´e possible, eux qui depuis 26 ans constituent ma
principale source d’inspiration et qui me t´emoignent de leur amour. Je remercie aussi l’ensemble
des membres de ma future belle-famille : Marie-Odile, Francis B., Francis S., Christian, Sonia,
Mehdi, Noury ainsi que leur prog´eniture.
Enfin, je ne saurais terminer ces remerciements sans rendre hommage aux trois personnes qui
m’ont encadr´e durant ces trois derni`eres ann´ees. Merci donc `a Daniel Monceau qui m’a aid´e a`
”taquiner”la lacune en participant aux nombreuses r´eunions sur ce sujet et qui m’a fait partager
ses nombreuses connaissances en mati`ere d’oxydation a` haute temp´erature et de diffusion. Merci
a` Bernard Viguier sans qui, les quelques articles que j’ai pu publier seraient encore `a l’´etat d’em-
bryons. Il a su aussi m’initier `a de nombreux essais m´ecaniques et les r´eflexions qu’il a pu porter
sur mon sujet ont toujours ´et´e d’une grande richesse. Je n’oublie pas non plus les nombreuses
attentions qu’il a eues `a mon ´egard. Merci enfin `a Eric Andrieu qui a su me remettre en selle
dans les moments difficiles grˆace a` son optimisme permanent. Au cours de ces ann´ees j’ai eu la
chance de b´en´eficier de sa culture scientifique incommensurable mais j’ai ´egalement pu mesurer
combien la dimension humaine ´etait importante dans la relation doctorant - directeur de th`ese.
Merci a` lui pour tout ce qu’il m’a apport´e, je lui en serai ´eternellement reconnaissant.
iiA celle qui tous les jours partage mon cassoulet : Rhisl`ene,
iiiivTable des mati`eres
Table des figures ix
Chapitre I Pr´esentation de l’´etude 1
Chapitre II Revue des connaissances 3
1 Oxydation haute temp´erature - Concepts g´en´eraux . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Concepts de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Cas du nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 D´efauts dans la couche d’oxyde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Cin´etique d’oxydation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Morphologie des couches d’oxyde - Cas de la couche duplex . . . 7
1.3 Cas du fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Stabilit´e et nature des diff´erents oxydes . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 M´ecanismes d’oxydation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Cas des alliages nickel - chrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1 Nature des diff´erents oxydes form´es . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.2 M´ecanismes de croissance des couches d’oxydes . . . . . . . . . . 18
2 Les lacunes dans les m´etaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 Concentrations `a l’´equilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Diffusion des lacunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Production de lacunes m´etalliques a` l’interface m´etal/oxyde - Ph´enom`ene
d’injection de lacunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Formation de cavit´es a` l’interface m´etal/oxyde . . . . . . . . . . 27
2.3.2 Annihilation des lacunes `a l’interface m´etal/oxyde . . . . . . . . 28
2.3.3 Injection de lacunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Effetdel’environnementsurlecomportementm´ecaniquedes mat´eriauxm´etalliques 38
3.1 Le ”trou de ductilit´e”des alliages base nickel . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Effet d’une pr´eoxydation sur les propri´et´es m´ecaniques . . . . . . . . . . . 42
3.3 Couplage oxydation - comportement m´ecanique . . . . . . . . . . . . . . . 45
vTable des mati`eres
4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Chapitre III Mat´eriaux et techniques exp´erimentales 51
1 Pr´esentation des mat´eriaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.1 Choix des mat´eriaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.2 Compositions chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.3 Microstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.3.1 Etat de r´eception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.3.2 Etat Recuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .