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In order to tackle the lack of ductility and work-hardening of titanium alloys, a new family is being developed, namely, strain-transformable β titanium alloys. The deformation mechanisms involve transformation induced plasticity (TRIP effect) and twinning induced plasticity (TWIP effect). They have been widely studied over the last ten years. On the otherhand, the understanding of fracture mechanisms of TRIP/TWIP titanium alloys still remains poorly documented although this is a key to improve the development of these alloys. Therefore, this project is an in-depth study of the mechanical behavior of a Ti-8.5Cr-1.5Sn β TWIP alloy, under various loading conditions. The coarse microstructure of the alloy was used to investigate deformation and fracture on a grain-by-grain basis. First, a methodology for the systematic study of this family of alloys has been developed. We selected the most relevant tests for a complete study of the mechanical behavior of a TRIP/TWIP alloy by investigating heat treatment conditions (quenching thickness) and mechanical testing conditions (specimen geometry, loading mode). Then,this methodology was validated on the Ti-8.5Cr-1.5Sn alloy first at room temperature, then at subzero temperatures, in order to get closer to the Ms point. The mechanical behavior was evaluated under a wide range of conditions giving access to tensile strength, impact toughness, and fracture toughness. The respective contributions of crack initiation and crack propagation were determined. A multi-scale correlation (optical, SEM, TEM) highlighted fracture by localized plastic flow, without damage development, strongly correlated with the plastic deformation mechanisms and independent of variations in strain rate and stress triaxiality. At subzero temperatures, the absence of ductile-to-brittle transition was demonstrated on the failure mechanisms, as was thepreservation of the phenomenology observed at room temperature (no triggered TRIP effect). Low energy fracture encountered at lower temperatures still involved a ductile dimple mechanism. It remained governed by localized plastic flow, which is triggered all the earlier the lower the test temperature. This new and comprehensive study has improved the understanding of fracture mechanisms of a TRIP/TWIP alloy and provides a solid database for further studies of this family of alloys.; Afin de pallier la ductilité et le taux d’écrouissage limités des alliages de titane, une nouvelle famille a été développée : les alliages de titane β transformables par déformation. Leurs mécanismes de déformation mettent en jeu la plasticité induite par transformation de phase (effet TRIP) et par maclage (effet TWIP), et sont largement étudiés depuis une dizaine d’années. Au contraire, la compréhension des mécanismes de rupture de ces alliages est faiblement documentée alors qu’elle reste essentielle afin de gagner en maturité dans leur développement. Ce projet avait pour but d’étudier en détail le comportement mécanique sous sollicitations variées d’un alliage β TWIP : Ti-8,5Cr-1,5Sn, à gros grains, afin de décorréler les échelles d’observation. Dans un premier temps, une méthodologie d’étude systématique de cette famille d’alliages a été mise au point. Nous avons statué sur les conditions de traitement thermique (épaisseur de trempe) et de réalisation des essais (géométrie d’éprouvette, type de chargement) et sélectionné les essais les plus pertinents pour une étude complète du comportement mécanique d’un alliage TRIP/TWIP. Cette méthodologie a ensuite été validée sur un alliage Ti-8,5Cr-1,5Sn tout d’abord à température ambiante, puis à température négative. Le comportement mécanique a été évalué dans une large gamme de conditions : traction uniaxiale, traction sur éprouvette entaillée, résilience, ténacité. Les contributions respectives de l’amorçage et de la propagation de fissure ont notamment été déterminées. Une corrélation, multi-échelles (optique, MEB, MET), a permis de mettre en évidence une rupture par localisation de la déformation, sans endommagement, fortement corrélée aux mécanismes de déformation plastique et indépendante des variations de vitesse de sollicitation et de triaxialité des contraintes. A température négative, l’absence de transition ductile-fragile a été mise en évidence sur les mécanismes de rupture, tout comme la conservation de la phénoménologie observée à l’ambiante (pas d’effet TRIP déclenché). La rupture, alors à basse énergie, met toujours en jeu un mécanisme ductile à cupules. La rupture reste régie par la localisation de la déformation, qui se déclenche d’autant plus tôt que la température d’essai est basse. Cette étude nouvelle et complète a permis d’approfondir la compréhension de la rupture d'un alliage TRIP/TWIP et fournit une base de données solide pour de futures études d’alliages de la même famille

International audience; The effect of surface deformation on selective oxidation is studied on a Ni-30Cr alloy prepared by grinding (SiC paper) vs. polishing (diamond suspensions), and oxidized in air at 340-600 • C. Imaging and subsurface composition profiling by transmission electron microscopy are combined to investigate the relationships between microstructure, diffusion and oxidation. The depth of deformed material is found to be critical to selective oxidation. Atypical Cr depletion profiles reflect an abrupt change in diffusion properties between the severely deformed subsurface and the bulk. The relative contributions of grain boundary, dislocation and bulk diffusion to the Cr flux are examined based on short-circuit diffusion theory.

International audience; The effect of surface deformation on selective oxidation is studied on a Ni-30Cr alloy prepared by grinding (SiC paper) vs. polishing (diamond suspensions), and oxidized in air at 340-600 • C. Imaging and subsurface composition profiling by transmission electron microscopy are combined to investigate the relationships between microstructure, diffusion and oxidation. The depth of deformed material is found to be critical to selective oxidation. Atypical Cr depletion profiles reflect an abrupt change in diffusion properties between the severely deformed subsurface and the bulk. The relative contributions of grain boundary, dislocation and bulk diffusion to the Cr flux are examined based on short-circuit diffusion theory.

In the case of the turbocharger housings machining (milling, drilling and tapping operations) made of heatresistant austenitic stainless steel (HRASS), the tools life is greatly altered compared to standard steels ofequivalent mechanical resistance. Therefore, the machining cost of such pieces, including the cutting tools,constitutes a significant amount of their total cost. Concerning the drilling, the severity of the machining isincreased and even more since it relies on stepped, complex and expensive one-piece tools.This PhD project aims to develop a new cutting geometry optimized for the HRASS drilling. In thisperspective, a characterization of the cutting tool is carried out based on one hand on the local cutting forcesanalysis from a global cutting forces discretization during the drill tip penetration, and also on the initial chipformation. Then, an in-situ analysis of the cumulative strain hardening of the machined subsurface layer is alsocarried out using an identification of the incremental equivalent plastic strain. All the performed analysescontribute to the understanding of the strain hardening/machinability relationship for the tool life improvementof the HRASS dedicated drills.; Dans le cas de l’usinage des corps de turbocompresseurs (fraisage, perçage et taraudage) en acier inoxydableausténitique réfractaire (AIAR), les durées de vie des outils de coupe sont fortement altérées par rapport à desaciers standards de résistance mécanique équivalente. De ce fait, le coût de l’usinage de ces pièces, outilscoupants compris, constitue une part importante du prix de production. Dans le cas de leur perçage, la sévéritéde l’usinage est accrue et ceci d’autant plus qu’il repose sur des outils monoblocs étagés, complexes etcouteux.Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle géométrie de coupe optimisée pour le perçage des AIAR.Dans cette optique, une caractérisation de l’outil de coupe est réalisée en se basant non seulement sur l’analysedes efforts de coupe locaux à partir d’une discrétisation des efforts de coupe globaux dans le régime transitoire,mais aussi sur la formation du premier copeau. Ensuite, une analyse in-situ du cumul de l’écrouissage de lasous-couche usinée est également réalisée en s’appuyant sur une identification de la déformation plastiqueéquivalente incrémentale. L’ensemble des analyses contribuent à la compréhension de la relationécrouissage/usinabilité pour les AIAR pour l’amélioration de la durée de vie des outils.

In the case of the turbocharger housings machining (milling, drilling and tapping operations) made of heatresistant austenitic stainless steel (HRASS), the tools life is greatly altered compared to standard steels ofequivalent mechanical resistance. Therefore, the machining cost of such pieces, including the cutting tools,constitutes a significant amount of their total cost. Concerning the drilling, the severity of the machining isincreased and even more since it relies on stepped, complex and expensive one-piece tools.This PhD project aims to develop a new cutting geometry optimized for the HRASS drilling. In thisperspective, a characterization of the cutting tool is carried out based on one hand on the local cutting forcesanalysis from a global cutting forces discretization during the drill tip penetration, and also on the initial chipformation. Then, an in-situ analysis of the cumulative strain hardening of the machined subsurface layer is alsocarried out using an identification of the incremental equivalent plastic strain. All the performed analysescontribute to the understanding of the strain hardening/machinability relationship for the tool life improvementof the HRASS dedicated drills.; Dans le cas de l’usinage des corps de turbocompresseurs (fraisage, perçage et taraudage) en acier inoxydableausténitique réfractaire (AIAR), les durées de vie des outils de coupe sont fortement altérées par rapport à desaciers standards de résistance mécanique équivalente. De ce fait, le coût de l’usinage de ces pièces, outilscoupants compris, constitue une part importante du prix de production. Dans le cas de leur perçage, la sévéritéde l’usinage est accrue et ceci d’autant plus qu’il repose sur des outils monoblocs étagés, complexes etcouteux.Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle géométrie de coupe optimisée pour le perçage des AIAR.Dans cette optique, une caractérisation de l’outil de coupe est réalisée en se basant non seulement sur l’analysedes efforts de coupe locaux à partir d’une discrétisation des efforts de coupe globaux dans le régime transitoire,mais aussi sur la formation du premier copeau. Ensuite, une analyse in-situ du cumul de l’écrouissage de lasous-couche usinée est également réalisée en s’appuyant sur une identification de la déformation plastiqueéquivalente incrémentale. L’ensemble des analyses contribuent à la compréhension de la relationécrouissage/usinabilité pour les AIAR pour l’amélioration de la durée de vie des outils.

Due to the increased demand for light weighting in automotive vehicles, solutions need to be created to allow automotive manufacturers to switch from highly formable but heavy steels to less formable but lighter aluminium alloys for body-in-white components; doors, roofs, hood. The 6xxx-series of aluminium alloys, based on the system of Al-Mg-Si-Cu, have shown promise for providing adequate strength and corrosion resistance but still, in the current state, one of their main limitations concerns their formability. This thesis aims to understand the effect of Si, Mg, and Cu additions under two different processing routes on the mechanical and formability properties of the AA6xxx-series. Differential scanning calorimetry and hardness testing are used to identify the effects of solute additions on the cluster states after natural ageing and pre-ageing. Tensile testing is used to capture the main mechanical properties: yield strength, tensile strength, strain hardening rate, and uniform elongation. Strain rate sensitivity testing is performed using dynamic strain rate changes to obtain not only the strain rate sensitivity due to rate-change increases (termed up-change), but uniquely, the strain rate sensitivity for rate-change decreases (termed down-change). Finally, using constitutive equations, the mechanical properties are used in combination with finite element modeling to capture the evolution of the strain and strain rate distribution in the evolution and transition of diffuse to local necking. It was found that in the case of natural ageing for one month (NA1m) two cluster types were detected, a less thermally stable species having a high dependency on the Cu and Mg contents, and a more thermally stable species being equally sensitive to all solute species. When samples were first pre-aged, then allowed to naturally age for one month (sNA1m) only the more thermally stable cluster species being equally sensitive to all solute additions existed. The formation of these different cluster types dependent on the heat treatment translated into the effects of specific solute additions on the observed mechanical properties. In the NA1m condition, the effects of Cu and Mg additions to the alloy showed the largest increases on the yield strength and strain hardening rate, as compared to Si additions. This is in contrast to the sNA1m condition whereby Cu, Mg, and Si additions all increased the yield strength equally while Cu additions proved to have the strongest effect on increasing the strain hardening rate, followed by the effect of Si additions, while Mg additions did not have an effect. From the strain rate sensitivity tests, an asymmetry between the up-change and down-change tests was observed whereby the down-change strain rate sensitivity was found to be larger than the up-change strain rate sensitivity. Additionally, Si additions were found to increase both the up-change and down-change strain rate sensitivity in both the NA1m and sNA1m conditions. Finally, the application of these mechanical properties to the onset and evolution of the diffuse and local neck demonstrated that increasing the strain hardening exponent delays the onset of diffuse necking, while increasing both the up-change and down-change strain rate sensitivities provides a more uniform strain and strain rate distribution around the neck, permitting the stabilization and propagation of the neck and delaying the onset of local necking. The effect of the up-change strain rate sensitivity was found to be more important than the down-change due to the intensity of the strain rate increase in the interior of the neck occurring over a much smaller area.; En raison de l'augmentation de la demande d’allègement pour les véhicules automobiles, des solutions doivent être créées pour permettre aux constructeurs automobiles de passer d'aciers hautement formables mais lourds à des alliages d'aluminium moins formables mais plus légers pour les carrosseries en blanc. Les alliages d'aluminium de la série 6xxx, basés sur le système Al-Mg-Si-Cu, se sont révélés prometteurs en termes de résistance mécanique et de résistance à la corrosion, mais, l'une de leurs principales limitations concerne leur formabilité. Cette thèse vise à comprendre l'effet des additions de Si, Mg et Cu sur les propriétés mécaniques et de formabilité de la série AA6xxx. La calorimétrie différentielle à balayage et les essais de dureté sont utilisés pour identifier les effets de l'addition de solutés sur la microstructure d’amas de solutés après vieillissement naturel et pré-vieillissement. Les essais de traction donnent accès aux principales propriétés mécaniques : limite d'élasticité, résistance à la traction, taux d’écrouissage et allongement uniforme. Le test de sensibilité à la vitesse de déformation est effectué à l'aide de sauts de vitesse afin d'obtenir non seulement la sensibilité à la vitesse ascendante, mais moins classiquement la sensibilité à la vitesse descendante. Enfin, à l'aide d'équations constitutives, les propriétés mécaniques sont utilisées dans une modélisation par éléments finis pour saisir l'évolution de la déformation et de la vitesse de déformation dans la transition de la striction diffuse à localisée. Dans le cas du vieillissement naturel d'un mois (NA1m), deux types d'amas ont été détectés, une espèce moins stable thermiquement ayant une forte dépendance aux teneurs en Cu et Mg, et une espèce plus stable thermiquement ayant la même sensibilité à toutes les espèces de solutés. Lorsque les échantillons sont pré-vieillis, puis laissés pendant un mois (sNA1m), seule l’espèce d’amas thermiquement plus stables et également sensible à tous les ajouts de solutés existe. La formation de ces différents types d’amas en fonction du traitement thermique s'est traduite par les effets de l'ajout de solutés spécifiques sur les propriétés mécaniques observées. Dans l'état NA1m, les effets des additions de Cu et de Mg à l'alliage ont montré les plus fortes augmentations de la limite d'élasticité et du taux d’écrouissage, par rapport aux additions de Si. Ceci contraste avec la condition sNA1m pour laquelle les additions de Cu, Mg et Si augmentent toutes la limite d'élasticité de façon égale tandis que les additions de Cu se sont avérées avoir le plus fort effet sur l'augmentation du taux de durcissement par déformation, suivies par l'effet d’additions de Si, tandis que les additions de Mg n'ont pas eu d'effet. Les tests de sensibilité à la vitesse de déformation ont révélé une asymétrie entre les tests de variation vers le haut et vers le bas, selon laquelle la sensibilité à la vitesse de variation vers le bas est plus grande que la sensibilité à la vitesse de variation vers le haut. De plus, on a constaté que les ajouts de Si augmentent à la fois la sensibilité à la vitesse de déformation à variation ascendante et à variation descendante dans les conditions NA1m et sNA1m. Enfin, l'application de ces propriétés mécaniques à l'étude de l'évolution des strictions diffuse et locale a démontré que l'augmentation de l'exposant d’écrouissage retarde l'apparition du col diffus, par ailleurs l’augmentation de la sensibilité à la vitesse de déformation permet une distribution plus uniforme des déformations et des vitesses de déformation, permettant ainsi la stabilisation et la propagation du col de striction et retardant l'apparition du col local. L'effet de la sensibilité à la vitesse de déformation ascendante s'est révélé plus important que la variation descendante en raison de l'intensité de l'augmentation de la vitesse de déformation à l'intérieur du col sur une zone beaucoup plus petite.

Avec le développement des matériaux fonctionnels (multi-matériaux, multicouches,…), la caractérisation du comportement mécanique par des moyens macroscopiques conventionnels est devenue de plus en plus difficile. Ces méthodes conventionnelles sont donc substituées progressivement par des moyens de caractérisation multi-échelles. Parmi ces moyens, la nanoindentation, qui peut résoudre certains défis de la micro-caractérisation tels que la présence de phases indissociables, les systèmes multicouches, les revêtements ultra-minces, etc. Cet outil est devenu une technique de haute précision capable de solliciter des volumes de matière très faibles et fournir des informations riches pour la caractérisation des matériaux. Cependant, cet outil est utilisé majoritairement pour identifier les propriétés élastiques et qualitativement certains paramètres tels que la dureté, la ductilité et les contraintes internes. Ce travail de thèse s’intéresse à la caractérisation du comportement élastoplastique par nanoindentation à deux échelles : l’échelle macroscopique et l’échelle du cristal. Le premier défi de ce travail est expérimental. Il s’agit de générer des surfaces avec des propriétés représentatives de la microstructure étudiée. Ce défi est d’autant plus relevé que le matériau utilisé comme modèle est l’acier 316L très ductile et dont la surface est sensible au moindre changement. Un protocole expérimentale a été mis en place, à l’issu de ce travail, et les erreurs et dispersions de la réponse en nanoindentation introduites par les différentes étapes de génération de surface ont été quantifiés. Une base de données étendue a été mise en place, par la suite. Différentes géométries d’indent ont été appliquées à plusieurs profondeurs. Cette base de données va alimenter des stratégies d’identification inverse basée sur un couplage entre des algorithmes d’optimisation et une modélisation éléments finis de l’essai. Deux types d’algorithme ont été appliqués : Levenberg-Marquardt et l’algorithme génétique. Ce dernier est très consommateur en temps de calcul. Différents modèles EF axisymétrique et 3D ont été utilisés. Ces modèles ont été soigneusement optimisés par rapport au temps de calcul. Plusieurs stratégies d’identification ont été employées en se basant sur différentes données expérimentales issues de l’essai de nanoindentation telles que la courbe de charge-décharge, la forme de l’empreinte résiduelle et l’association de plusieurs géométries d’indent. Plusieurs modèles d’écrouissage isotrope ont été identifiés. À l’échelle macroscopique, les modèles d’écrouissage isotrope classiques ont été déterminés. À l’échelle du grain, la loi cristalline de Méric et Cailletaud a été identifiée. Les résultats obtenus ont été confrontés, à l’échelle macroscopique, à des identifications réalisées sur le même matériau à partir des essais de traction et de compression et ont montré que l’association de multiples géométries d’indentation permet de reproduire le comportement volumique du 316L avec une précision acceptable. Pour le comportement du cristal, des essais de compression de micropilliers ont été utilisé pour se procurer des données de référence à cette échelle. La comparaison montre beaucoup de dispersion dans les deux cas. En effet, certains phénomènes liés à la densité de dislocation très variables d’un grain à l’autre sont responsables de cette dispersion. Cette densité de dislocation n’est pas prise en compte, en tant que variable, dans le modèle cristallin utilisé. L’utilisation d’un modèle plus physique intégrant la densité de dislocation et son évolution permet d’améliorer ces résultats. Enfin, une nouvelle méthode d’identification a été proposée. Cette méthode est basée sur l’estimation et l’introduction de la géométrie réelle de l’indent dans le modèle EF utilisé pour l’identification. La méthode a été validée dans le cas de la pointe Berkovich et elle montre des résultats très prometteurs. With the development of functional materials (multi-materials, multilayers, ...), the mechanical behavior characterization by conventional macroscopic methods has become progressively difficult. These conventional methods are therefore gradually substituted by multiscale characterization processes. Among these methods, the nanoindentation, this can solve certain challenges of micro-characterization such as the presence of indissociable phases, multilayer systems, ultra-thin coatings, etc. This tool has become a high-precision technique capable of testing very small volumes of matter and providing rich information for material characterization. However, this tool is used mainly to identify the elastic properties and, qualitatively, some parameters such as hardness, ductility and internal stresses. This thesis work focuses on the characterization of elastoplastic behavior by nanoindentation at two scales: the macroscopic scale and the crystal scale. The first challenge of this work is experimental. It involves generating surfaces with properties representative of the studied microstructure. This challenge is important because the material used as a model is 316L steel which is very ductile and whose surface is sensitive to small perturbations. An experimental protocol was implemented at the end of this work, and the errors and dispersions of the nanoindentation response introduced by the different surface generation steps were quantified. Then, a wide database was implemented with different indenter geometries and several depths. This database will feed inverse identification strategies based on a coupling between optimization algorithms and finite element modeling of this test. Two types of algorithm have been applied: Levenberg-Marquardt and genetic algorithms. The latter is very consumer in computing time. Different axisymmetric and 3D FE models have been used. These models have been carefully optimized with respect to computation time. Several identification strategies were employed based on various experimental databases from the nanoindentation test such as the loading-unloading curve, the residual imprint shape and the association of several indent geometries. Some models of isotropic hardening have been identified. On the macroscopic scale, classical isotropic hardening models have been determined. At the grain scale, the crystal plasticity constitutive model of Méric and Cailletaud has been identified. The results obtained were compared on the macroscopic scale with identifications carried out on the same material from the tensile and compression tests. The comparison showed that the combination of multiple indentation geometries makes it possible to reproduce the volume behavior of the 316L with acceptable accuracy. For crystal behavior, micropillar compression tests were used to obtain reference data at this scale. The comparison shows a lot of dispersion in both cases. Indeed, some phenomena related to the density of dislocation very variable from one grain to another are responsible of this dispersion. This dislocation density is not taken into account, as a variable, in the used crystal constitutive model. The use of a more physical law integrating the dislocation density and its evolution makes it possible to improve these results. Finally, a new identification method has been proposed. This method is based on estimating and introducing the real indent geometry in the FE model used for identification. The method has been validated in the case of Berkovich tip and shows very promising results.

International audience; The growth of a protective oxide scale on a heat-resisting alloy leads to subsurface depletion of the protective element (most commonly Cr or Al), and requires a sufficient flux of this element from the bulk to the surface. Selective oxidation critically depends on the alloy microstructure, as shown by Giggins and Pettit in the case of Ni-Cr alloys at 900-1100 °C : in cold-worked specimens, subsurface defects generate new grain boundaries by recrystallization upon heating, which provides accelerated diffusion to the surface and favors the establishment of a Cr2O3 scale.Similar processes operate at lower temperatures, where recrystallization is absent or much slower. Depletion profiles observed in Ni-base alloys exposed to pressurized water 340-360 °C can reach dozens of nm from the surface, intergranular oxides or cracks. The diffusivity of Cr is not known at these temperatures, but the extrapolation of high temperature tracer data would suggest that lattice diffusion alone cannot account for these diffusion distances. Instead, dislocations and subgrain boundaries may act as high diffusivity paths.A difficulty in modeling these processes arises from the fact that the organization and density of 1D and 2D defects evolve during heat treatments as recovery, recrystallization and grain growth proceed. In addition, vacancy fluxes are generated in the alloy as a result of both the oxidation reaction and the Kirkendall effect. The extent to which vacancy supersaturations may develop depends on the alloy capacity for vacancy annihilation (at grain boundaries, interfaces, free surfaces or in the bulk by dislocation climb), and therefore on the density of the various types of defects. The resulting vacancy concentration will in turn affect diffusion.The present work aims at better understanding the influence of the microstructure on Cr depletion and selective oxidation, in order to better integrate microstructural evolutions in oxidation kinetics modeling. It combines oxidation experiments and measurements of base diffusion data in the same temperature range, using annealed and cold-worked substrates.

This work focuses on experimental analysis and multiscale modelling of LCF behaviour of 316L steels treated by SMAT. The gradient microstructure features of a 316L steel treated by SMAT are characterized by EBSD, XRD and hardness tests. Grain size gradient, residual stress and plastic deformation are evaluated. The cyclic hardening/softening behaviour of the SMATed specimens and the evolution of the microstructures during cyclic loading are studied based on LCF tests and EBSD observations. A comparison between SMAT and conventional shot peening is performed by analysing the surface topography, residual stress fields, and work hardening profiles of the treated specimens as well as their effects on LCF life.A modelling methodology of residual stress and work hardening is developed including constitutive modelling, reconstruction technique, and cyclic loading simulation. First, a macroscopic constitutive modelling of the cyclic plasticity behaviour of a 316L steel is performed. Then, a self-consistent modelling of the cyclic hardening/softening behaviour is developed. Afterwards, a new method for reconstructing residual stress and work hardening is proposed and applied to a SMATed structure. Both of the previous macroscopic and microscopic models are used to predict the cyclic behaviour of the SMATed material, Ce travail de thèse est focalisé sur des caractérisations microstructurales, des essais de fatigue et une modélisation multi-échelle du comportement en fatigue oligocyclique d’aciers 316L nanocristallisés superficiellement par SMAT. Le gradient de taille de grains superficiel, les contraintes résiduelles et l’écrouissage générés sont évalués à l’aide de différentes techniques : EBSD, DRX et essais de dureté. Le durcissement/adoucissement cyclique des éprouvettes SMATées et l'évolution de la microstructure au cours du chargement cyclique sont ensuite étudiés grâce à des essais de fatigue et des observations par EBSD. Une comparaison entre le SMAT et le grenaillage conventionnel est réalisée en analysant la topographie de surface, les champs de contraintes résiduelles et les profils d’écrouissage générés. Les effets de ces deux traitements sur la durée de vie en fatigue oligocyclique sont également étudiés.Une méthodologie de modélisation des contraintes résiduelles et de l’écrouissage est par ailleurs développée. Elle comporte une modélisation multi-échelle, la reconstruction des contraintes résiduelles et de l’écrouissage ainsi que la simulation du chargement cyclique. Une modélisation macroscopique de la plasticité cyclique de l’acier est d’abord réalisée. Une approche auto-cohérente du durcissement/adoucissement cyclique est ensuite développée. Enfin, une nouvelle méthode de reconstruction des contraintes résiduelles et de l’écrouissage est proposée et appliquée à une structure SMATée

International audience; L’état microstructural d’un matériau métallique joue un rôle prépondérant sur ses propriétés d’usage et son comportement mécanique durant la mise en forme. Il devient aujourd’hui nécessaire de maîtriser ces évolutions tout au long des procédés industriels afin de remplir des cahiers des charges exigeants et de répondre efficacement aux nouveaux marchés. Les logiciels de simulation de mise en forme des matériaux dont disposent les industriels permettent d’utiliser des modèles métallurgiques principalement basés sur des équations phénoménologiques ou des modèles à champ moyen. Cependant, le domaine de validité de ces modèles associés à un jeu de paramètres est souvent limité à un matériau et un procédé. Réidentifier en permanence ces paramètres par des études expérimentales est synonyme de coûts prohibitifs. Ces vingt dernières années, des solutions de modélisation académiques en champ complet sont apparues. Ces méthodes sous-entendent une modélisation directe des évolutions d’un polycristal sur un volume élémentaire représentatif à l’échelle mésoscopique. La modélisation des mécanismes physiques à l’œuvre rendant ces simulations plus génériques.

Shot-peening in a surface treatment used in the industry to enhance fatigue life of a mechanical part. Nonetheless, this process remains empirical as complex phenomena linked with residual stress relaxation are not well understood yet. For these reasons, peening step of turbine disks produced by Safran Aircraft Engines, made in Inconel 718, is not considered in the dimensioning phase of the part. Today there is a need for a precise prediction of the process and the life enhancement of peened parts. This thesis is part of the CONDOR project, the objective of which is to answer this need. This work is the first step, and its goal is to build a numerical model of shot-peening able to predict the work-hardening state after the process. In fact this parameter is known to have an important role in the relaxation of residual stress.Complete assessment of the mechanical behavior of Inconel 718 is first proposed. Then the numerical model is built, able to adress the stress and work-hardening state of the peened part. A statistical approach is also proposed. An important XRD experimental campaign on peened sampled was led to correlate the model. Finally, the simulation is used to predict the mechanical state after shot-peening; Le grenaillage de précontrainte est un procédé de traitement de surface répandu dans le domaine industriel permettant d’augmenter la durée de vie en fatigue d’une pièce mécanique. Ce procédé demeure néanmoins empirique en raison de mécanismes mal maitrisés liés à la dissipation des contraintes résiduelles.Pour ces raisons, les disques de turbine haute pression forgés en Inconel 718 produits par Safran Aircraft Engines sont grenaillés sans que le procédé ne soit intégré à la phase de dimensionnement, à des fins purement conservatives. Les impératifs de compétitivité et de sécurité créent le besoin d’un modèle prédictif du procédé et du gain en durée de vie pour une pièce à géométrie complexe. Cette thèse est rattachée au projet CONDOR (CONtrainte, DimensiOnnement Relaxation) qui se donne pour objectif de répondre à ce besoin. Le présent travail en est la première étape, et a pour but de mettre en place un modèle numérique rendant compte de l’écrouissage généré au cours du procédé. Ce paramètre a une influence de premier ordre sur la relaxation des contraintes résiduelles.Une caractérisation poussée du matériau, tenant compte du comportement visqueux de l’Inconel 718 est réalisée, permettant, la mise en place d’un modèle numérique de grenaillage. Ce modèle prédit l’état de contrainte résiduelle et d’écrouissage, et offre une vision statistique des résultats. Une vaste campagne expérimentale de mesure par DRX sur éprouvettes grenaillées a permis de corréler le modèle. Celui-ci est ensuite utilisé afin de caractériser l’état mécanique post-grenaillage

International audience; On décrit un modèle simplifié de restauration d’écrouissage utilisé dans la simulation numérique du soudage (SNS). Ce modèle, écrit sous forme d’équation différentielle, permet de prendre en compte l’effet de restauration des propriétés plastiques de l’acier lors de la simulation du soudage multi-passes. Les paramètres de ce modèle sont déterminés par recalage à partir d’essais expérimentaux développés et réalisés par l’EPRI. L’étape de validation du modèle, au cours de laquelle les résultats numériques sont confrontés à des résultats expérimentaux, est réalisée en deux temps : d’abord en simulant les essais EPRI puis en simulant des essais Satoh.

The work carried out concerns the development and characterization of new high deformation titanium alloys, combining TRIP (Transformation Induced Plasticity) and TWIP (Twinning Induced Plasticity) effects. They are part of the search for more economical technologies in terms of energy costs, requiring in particular the development of lightweight and efficient structural materials with exceptional strength, toughness and ductility. We first used a semi-empirical approach, combining theoretical calculations and experimental data, as a method for designing these new alloys. Based on electronic parameters, this approach makes it possible to control the degree of stability of the β phase of titanium. This metallurgy, called combinatorial metallurgy, allowed us to quickly develop 3 new grades of alloys, which are : Ti-8.5Cr-1.5Sn, Ti-8.5Cr-1.5Al, and Ti-10V-4Cr-1Al. It turns out that several deformation mechanisms are triggered to plastically accommodate the material during an external mechanical stress. Among these mechanisms are the {332}⟨113⟩ twinning, the stress martensite, and the dislocation slip. We have shown that their synergy gives rise to two effects, a microstructural refinement effect called "dynamic Hall & Petch effect", and an effect comparable to the matrix-reinforcement interactions, called the "Composite effect". We then carried out a comparative ballistic test campaign with other titanium alloys, to analyze the behavior to damage, closest to a potential industrial application. We have shown that alloys with the ability to be transformable by deformation are those with the highest toughness (KIC) and resilience (KCV). Finally, in a final part, focusing on the opening of this thematic, we first studied the transposition of the design method to an industrial alloy. Then, a transposition of the TRIP / TWIP effects to α+β matrices, whose promising results of mechanical properties offer new perspectives.Keywords : Titanium alloys, Twinning, Strain-hardening, Deformation microstructure, Martensitic phase transformation.; Les travaux effectués concernent le développement et la caractérisation de nouveaux alliages de titane à grande déformation, combinant des effets TRIP (« Transformation Induced Plasticity ») et TWIP (Twinning Induced Plasticity »). Ils s’inscrivent dans le cadre de la recherche de technologies plus économiques en termes de coûts énergétiques, nécessitant en particulier le développement de matériaux structuraux légers et performants avec une résistance, une ténacité et une ductilité exceptionnelles. Nous avons d’abord utilisé une approche semi-empirique, combinant calculs théoriques et données expérimentales, comme méthode de conception de ces nouveaux alliages. Basée sur des paramètres électroniques, cette approche permet de contrôler le degré de stabilité de la phase β du titane. Cette métallurgie, appelée métallurgie combinatoire, nous a permis de développer rapidement 3 nouvelles nuances d’alliages, qui sont : le Ti-8.5Cr-1.5Sn, Ti-8.5Cr-1.5Al, et le Ti-10V-4Cr-1Al. Il s’avère que plusieurs mécanismes de déformation sont déclenchés pour accommoder plastiquement le matériau, lors d’une sollicitation mécanique externe. Parmi ces mécanismes, sont présents le maclage {332}⟨113⟩, la martensite sous contrainte, et le glissement des dislocations. Nous avons montré que leur synergie donnée naissance à deux effets, un effet de raffinement microstructural dit « effet Hall & Petch dynamique », et un effet assimilable aux interactions matrice-renforts, appelé « effet Composite ». Nous avons mené ensuite une campagne d’essais balistiques comparative avec d’autres alliages de titane, pour analyser le comportement à l’endommagement, au plus proche d’une potentielle application industrielle. Nous avons montré que les alliages ayant la capacité d’être transformable par déformation sont ceux qui possèdent la ténacité (KIC) et la résilience (KCV) la plus élevée. Enfin, dans une dernière partie, axée sur l’ouverture de cette thématique, nous avons étudié dans un premier temps la transposition de la méthode de conception à un alliage industriel. Puis, dans un deuxième temps, une transposition des effets TRIP/TWIP à des matrices α+β, dont les résultats prometteurs des propriétés mécaniques offrent de nouvelles perspectives.

The work carried out concerns the development and characterization of new high deformation titanium alloys, combining TRIP (Transformation Induced Plasticity) and TWIP (Twinning Induced Plasticity) effects. They are part of the search for more economical technologies in terms of energy costs, requiring in particular the development of lightweight and efficient structural materials with exceptional strength, toughness and ductility. We first used a semi-empirical approach, combining theoretical calculations and experimental data, as a method for designing these new alloys. Based on electronic parameters, this approach makes it possible to control the degree of stability of the β phase of titanium. This metallurgy, called combinatorial metallurgy, allowed us to quickly develop 3 new grades of alloys, which are : Ti-8.5Cr-1.5Sn, Ti-8.5Cr-1.5Al, and Ti-10V-4Cr-1Al. It turns out that several deformation mechanisms are triggered to plastically accommodate the material during an external mechanical stress. Among these mechanisms are the {332}⟨113⟩ twinning, the stress martensite, and the dislocation slip. We have shown that their synergy gives rise to two effects, a microstructural refinement effect called "dynamic Hall & Petch effect", and an effect comparable to the matrix-reinforcement interactions, called the "Composite effect". We then carried out a comparative ballistic test campaign with other titanium alloys, to analyze the behavior to damage, closest to a potential industrial application. We have shown that alloys with the ability to be transformable by deformation are those with the highest toughness (KIC) and resilience (KCV). Finally, in a final part, focusing on the opening of this thematic, we first studied the transposition of the design method to an industrial alloy. Then, a transposition of the TRIP / TWIP effects to α+β matrices, whose promising results of mechanical properties offer new perspectives.Keywords : Titanium alloys, Twinning, Strain-hardening, Deformation microstructure, Martensitic phase transformation.; Les travaux effectués concernent le développement et la caractérisation de nouveaux alliages de titane à grande déformation, combinant des effets TRIP (« Transformation Induced Plasticity ») et TWIP (Twinning Induced Plasticity »). Ils s’inscrivent dans le cadre de la recherche de technologies plus économiques en termes de coûts énergétiques, nécessitant en particulier le développement de matériaux structuraux légers et performants avec une résistance, une ténacité et une ductilité exceptionnelles. Nous avons d’abord utilisé une approche semi-empirique, combinant calculs théoriques et données expérimentales, comme méthode de conception de ces nouveaux alliages. Basée sur des paramètres électroniques, cette approche permet de contrôler le degré de stabilité de la phase β du titane. Cette métallurgie, appelée métallurgie combinatoire, nous a permis de développer rapidement 3 nouvelles nuances d’alliages, qui sont : le Ti-8.5Cr-1.5Sn, Ti-8.5Cr-1.5Al, et le Ti-10V-4Cr-1Al. Il s’avère que plusieurs mécanismes de déformation sont déclenchés pour accommoder plastiquement le matériau, lors d’une sollicitation mécanique externe. Parmi ces mécanismes, sont présents le maclage {332}⟨113⟩, la martensite sous contrainte, et le glissement des dislocations. Nous avons montré que leur synergie donnée naissance à deux effets, un effet de raffinement microstructural dit « effet Hall & Petch dynamique », et un effet assimilable aux interactions matrice-renforts, appelé « effet Composite ». Nous avons mené ensuite une campagne d’essais balistiques comparative avec d’autres alliages de titane, pour analyser le comportement à l’endommagement, au plus proche d’une potentielle application industrielle. Nous avons montré que les alliages ayant la capacité d’être transformable par déformation sont ceux qui possèdent la ténacité (KIC) et la résilience (KCV) la plus élevée. Enfin, dans une dernière partie, axée sur l’ouverture de cette thématique, nous avons étudié dans un premier temps la transposition de la méthode de conception à un alliage industriel. Puis, dans un deuxième temps, une transposition des effets TRIP/TWIP à des matrices α+β, dont les résultats prometteurs des propriétés mécaniques offrent de nouvelles perspectives.

This manuscript presents recent extensions to the PFVD model, based on the heterogeneity of theh dynamics of glassy polymers at the scale of a few nanometers et solved by 3D numerical simulation, which aim at providing a unified physical description of the mechanical and dynamical properties of glassy polymers during plastic deformation. Three main topics are treated: Plasticization. Under applied deformation, polymers undergo yield at strains of a few percent and stresses of some 10 MPa.We propose that the elastic energy stored at the scale of dynamical heterogeneities accelerates local dynamics. We observe yield stresses of a few 10 MPa are obtained at a few percent of deformation and that plastification is due to a relatively small amount of local yields. It has been observed that dynamics becomes faster and more homogeneous close to yield and that the average mobility attains a stationary value, linear with the strain rate. We propose that stress-induced acceleration of the dynamics enhances the diffusion of monomers from slow domains to fast ones (facilitation mechanism), accelerating local dynamics. This allows for obtaining the homogeneisation of the dynamics, with the same features observed during experiments. Strain-hardening, in highly entangled and cross-linked polymers. At large strain, stress increases with increasing strain, with a characteristic slope (hardening modulus) of order 10 – 100 MPa well below the glass transition. Analogously to a recent theory, we propose that local deformation orients monomers in the drawing direction and slows dows the dynamics, as a consequence of the intensification of local interactions. The hardening moduli mesured, the effect of reticulation and of strain rate are comparable with experimental data. In addition, strain-hardening is found to have a stabilizing effect over strain localization and shear banding, Ce manuscrit présente des récentes extensions au modèle PFVD, basé sur l'hétérogénéité de la dynamique des polymères vitreux à l'échelle de quelques nanomètres et résolu par simulation en 3D, afin de fournir une description physique unifiée des propriétés mécaniques et dynamiques des polymères vitreux soumis à déformation plastique. Trois sujets principaux sont traités : La plastification. Sous déformation, les polymères atteignent le seuil de plasticité (yield) à quelques pourcents de déformation et quelques dizaines de MPa. Nous proposons que l'énergie élastique absorbée à l'échelle des hétérogénéités dynamiques accélère la dynamique locale. On observe contraintes ultimes de quelques dizaines de MPa à quelques pourcents de déformation et que la plastification est due à un nombre relativement petit d'événements locaux. Il a été observé que la dynamique devient plus rapide et homogène dans le régime plastique et que la mobilité moyenne atteint une valeur stationnaire, linéaire avec le taux de déformation. Nous proposons que la contrainte locale stimule la diffusion de monomères des domaines lents à ceux rapides (mécanisme de facilitation) et accélère dynamique locale. Ceci permets d'observer l'homogénéisation de la dynamique, avec des caractéristiques proches de l'expérience. L'écrouissage, dans les polymères enchevêtrés ou réticulés. A grande déformation, la contrainte augmente avec une pente caractéristique d'ordre 10 – 100 MPa au-dessous de la transition vitreuse. De manière analogue à une théorie récente, nous proposons que la déformation locale oriente les monomères dans la direction d'étirage et ralentie la dynamique, suite à l'intensification des interactions locales. Les modules d'écrouissage mesurés, les effets de la réticulation et du taux de déformation sont comparables aux données expérimentales. En outre, on trouve que l'écrouissage a un effet stabilisateur sur les phénomènes de localisation et sur les bandes de cisaillement

Shot-peening is widely used on roots of high pressure turbine blade to postpone crack initiation in stress concentration area. This pre-stressing introduces compressive residual stress and strain hardening in a surface layer which will influence lifetime. The aim of this thesis is to propose a methodology which allows taking into account the impact of such pre-stressing and their evolution on the fatigue behaviour of a single crystal nickel-based superalloy (AM1) used for high pressure turbine blades. Firstly, the experimental work is devoted to the determination of the initial mechanical state (residual stresses and strain hardening). Residual stresses are namely determined using X-ray diffraction involving the use of a specific method developed by Ortner. This experimental initial mechanical state is then introduced as an input in structure calculation. The wellknown method involving the direct introduction of eigenstrain profiles is used and improved to also introduce strain hardening variables and the complete anisotropic mechanical state in all the integration points of the structure. The next step consist in following experimentally and modeling the evolution of these quantities under thermal and mechanical loads under an uniform temperature (650°C). Finally, the complete lifetime assessment is carried out on representative shot-peened samples. Results are discussed with respect to experimental fatigue tests.; Le grenaillage est souvent utilisé sur les pieds d’aube de turbine haute pression afin de retarder l’apparition des fissures dans les zones de concentration de contraintes. Ce traitement de surface génère des contraintes résiduelles et de l’écrouissage en surface de la pièce, ce qui influe sur sa durée de vie. L’enjeu de cette thèse est de mettre en place une méthodologie permettant de prendre en compte cet état mécanique initial, ainsi que son évolution en service, dans l’analyse de durée de vie d’une aube élaborée en superalliage monocristallin à base de nickel (AM1). Tout d’abord, cet état mécanique (contraintes résiduelles et écrouissage) est déterminé expérimentalement. Les contraintes résiduelles sont notamment évaluées par diffraction des rayons X en utilisant la méthode d’Ortner. Cet état mécanique est ensuite introduit dans les calculs de structure. Pour cela, on s’inspire de la méthode connue de l’introduction directe du champ d’eigenstrains qui est, ensuite, étendue afin d’introduire également les variables d’écrouissage ainsi que l’état mécanique anisotrope complet dans toute la structure. L’étape suivante a visé à suivre expérimentalement et à modéliser l’évolution de ces quantités sous sollicitations thermique, d’une part et cycliques à température constante (650°C), d’autre part. Enfin, la chaîne complète de calcul de durée de vie de l’AM1 est appliquée afin d’analyser la durée de vie des éprouvettes grenaillées. Les résultats obtenus sont discutés en regard des essais de fatigue effectués sur éprouvettes représentatives.

The plasticity of alpha-titanium is strongly anisotropic. It involves slip systems families with various properties and different kinds of twins. In this study, tensile tests on commercially pur alpha-titanium samples are coupled with acoustic emission and high-resolution extensometry measurements. These tests show the presence of a well on the strain dependence of the work hardening. An opposite strain rate effect on the well depth is found whether specimens are elongated along the rolling or the transverse direction of the initially laminated sheet. Slip lines analysis reveals an initial predominance of prismatic slip, particularly pronounced in specimens strained along the rolling direction. The relative activity of prismatic slip is then observed to decrease with the deformation of both kinds of samples. The twin volume fractions are higher in the tests performed in the transverse direction but still remain very low (< 5 %), especially around the well (< 2 %). These results provide grounds for elaboration of a model capable of explaining such peculiar work hardening behavior. The model relies on a self-consistent scheme in elastoviscoplasticity, based on the translated field method and an affine linearization of the viscoplastic flow rule. The model considers crystal plasticity and deals separately with mobile dislocation density and dislocation velocity. It assumes lower strain rate sensitivity as well as higher dislocation multiplication rate for prismatic systems. Based on these assumptions, the model reproduces correctly the stress-strain curves and gives sound estimates of Lankford coefficients, prismatic slip activity and textures evolution. Most importantly, the opposite effect of strain rate on the well depth with regard to the orientation of the tensile axis is qualitatively retrieved, which allows putting forward an explanation of the observed phenomena. Besides, acoustic emission and high-resolution extensometry measurements allow analyzing the intermittent and wave nature of alpha-titanium at a mesoscopic scale. These data are confronted with the predictions of the present model and will be used as grounds for the future development of a more complex model; La déformation plastique du alpha-titane est fortement anisotrope. Elle met en jeu des familles de systèmes de glissement aux propriétés diverses et différents types de macles. Dans cette étude, des essais de traction sur des échantillons de alpha-titane de pureté commerciale sont couplés avec des mesures d'émission acoustique et d'extensométrie locale à haute résolution. Ces essais révèlent la présence d'un puits sur la courbe d'évolution du taux d'écrouissage. Un effet inverse de la vitesse de déformation sur la profondeur de ce puits est trouvé selon que les échantillons sont déformés suivant le sens long ou le sens travers de la tôle laminée initiale. Des analyses statistiques des lignes de glissement montrent une prédominance initiale du glissement prismatique, particulièrement prononcée dans les échantillons prélevés suivant le sens long. Une diminution de l'activité relative du glissement prismatique est observée au cours de la déformation des deux types d'éprouvettes. Les fractions volumiques de macles sont plus élevées dans les essais réalisés en sens travers mais restent néanmoins très faibles (< 5 %), en particulier au niveau du puits (< 2 %). Ces résultats fournissent une base physique pour l'élaboration d'un modèle capable d'expliquer ce comportement particulier de l'écrouissage. Le modèle s'appuie sur un schéma auto-cohérent en élastoviscoplasticité, basé sur la méthode des champs translatés et utilisant une linéarisation affine de la relation constitutive viscoplastique. Le modèle considère la plasticité cristalline et traite séparément la densité de dislocations mobiles et la vitesse moyenne des dislocations. Il suppose une plus faible sensibilité à la vitesse de déformation ainsi qu'une multiplication plus rapide des dislocations sur les systèmes prismatiques. A partir de ces différentes hypothèses, les courbes de traction sont correctement reproduites et des estimations raisonnables des coefficients de Lankford, de l'activité relative du glissement prismatique et de l'évolution des textures sont obtenues. Plus important encore, l'effet inverse de la vitesse de déformation sur la profondeur du puits du taux d'écrouissage selon l'orientation de l'axe de traction est retrouvé de manière qualitative, ce qui permet d'avancer une explication aux phénomènes observés. Par ailleurs, les mesures d'émission acoustique et d'extensométrie locale à haute résolution permettent d'analyser le caractère intermittent et ondulatoire du alpha-titane à une échelle mésoscopique. Ces données sont confrontées aux prédictions du modèle actuel et serviront de base pour le développement futur d’un modèle plus complexe

Dans cette etude, on presente une contribution a la modelisation experimentale et numerique du comportement elastoplastique endommageable anisotrope de toles destinees a la mise en forme. L’accent est mis sur la localisation des instabilites plastiques induites par l’anisotropie plastique et l’endommagement. La procedure d’identification des parametres materiau du modele de comportement est basee sur une approche inverse d’optimisation s’appuyant sur des essais de traction orientes, associee a des simulations numeriques (Abaqus/Standard et Matlab). La validation de la procedure proposee a pu etre menee grâce a une confrontation entre simulations numeriques et resultats experimentaux obtenus sur des eprouvettes caracteristiques des toles minces texturees en acier doux. L’application est ensuite faite a la simulation de procedes de gonflement hydraulique de ces toles avec prevision de l’endommagement ductile. Plusieurs cas en expansion libre (matrices circulaires et elliptiques) et en expansion dans des cavites de matrice seront presentes et des comparaisons avec les resultats experimentaux seront realisees.

This report describes the changes in physiological capacity of a heavy-weight rower who obtained seven medals in World Championships and Olympic Games. The investigation was carried out over the last 6 years of the rower’s international competition career in comparison with peer champions, and the following 4 years. Over the first period, maximal oxygen uptake ( $$ \dot{V}{\text{O}}_{2\max } $$ ) remained above 6 l min−1 which is an outstanding value. The training load measured over the last 18 months of the period increased from 119 to 142 km wk−1 of rowing. Four years after the international competition period, $$ \dot{V}{\text{O}}_{2\max } $$ had only declined by 3.6% although the training load had declined by 35%. These data suggest that the ability of this rower to compete at top level for years was related to ability to maintain an outstanding $$ \dot{V}{\text{O}}_{2\max } $$ . Gross efficiency and ability to rely on anaerobic glycolysis did not emerge as relevant factors.

There are two problems when investigating the effects of shot-peening on fatigue process. The first one is characterizing residual stresses (RS) and strain hardening (WH) on the sample surface. The second one is the evolution of RS and WH during fatigue. In order to solve the first problem, this thesis proposes a “simultaneous function method” to measure RS and WH with nanoindentation. Accumulated plastic strain (PP) is used to represent WH. Then, by establishing functions of normalized indentation responses through a series of finite element method (FEM) simulations, normalized indentation responses obtained from nanoindentation experiments can be used to extract RS and PP values, assuming that the constitutive behavior is known. Although the simultaneous function method shows fairly high accuracy from a pure numerical view point, experiments performed on T40 commercial pure titanium are not completely satisfying. However, if the residual stress profile is known, the method can be used to derive the work hardening profile.In order to study the second problem, a series of strain-controlled fatigue tests are performed on Ti-18 alloy. Fatigue specimens of 4 material states, including raw, shot-peened, prestrained and prestrained + shot-peened, were tested under 3 different strain amplitudes over 100 cycles. X-ray diffraction tests on the sample surfaces showed that the RS relaxation and the cyclic softening increase together with the strain amplitude. IIT tests showed that shot-peening may induce a softening of the surface of Ti-18 alloy samples, Deux problèmes surviennent lorsque nous étudions les effets du grenaillage de précontrainte sur le processus de la fatigue. Le premier est la caractérisation des contraintes résiduelles (CR) et de l’écrouissage. Le second est l’évolution de CR et de l’écrouissage pendant le cyclage.Pour résoudre le premier problème, cette thèse propose une méthode pour mesurer les contraintes et l’écrouissage par nanoindentation. Ici, l’écrouissage est représenté par la déformation plastique cumulée (PP). A l’aide d’une série de simulations par éléments finis (MEF) en supposant le comportement du matériau connu, les réponses obtenues par indentation permettent d’obtenir simultanément contrainte et déformation plastique. Bien que satisfaisante d’un point vue numérique, les performances expérimentales obtenues sur un alliage de titane temps T40 restent insuffisantes. Cependant, si le profil de contrainte est connu, on peut toutefois obtenir le profil de déformation plastique. Les biais induits par la préparation de la surface ont été analysés en détail. Pour le second problème, une série d'essais de fatigue ont été effectués sur un alliage Ti-18. Quatre traitements ont été testés sur 100 cycles sous 3 amplitudes différentes de déformation. Des mesures par diffraction des rayons X ont montré que la relaxation des contraintes et l’adoucissement cyclique augmentent avec l'amplitude de déformation. Les essais d’indentation ont montré un adoucissement de la couche grenaillée

National audience; Le terme de "tribocorrosion" désigne le processus conduisant à l'endommagement (fissuration, écrouissage) et à l'usure de la surface d'un matériau métallique sous les effets conjugués d'une sollicitation mécanique de contact (frottement, impact) et de la corrosion par un milieu environnant. Cette définition, très générale, entre l'usure mécanique et (électro)chimique englobe une grande variété de configuration de contact. Nous présenterons uniquement les contacts à grands (slidding) et petits (fretting) débattement sans aborder les processus d'abrasion-corrosion (rolling) et d'érosion-corrosion (impingement) qui mettent en jeu des mécanismes de dégradations similaires. La tribocorrosion affecte donc un grand nombre de tribosystèmes constitués de dispositifs mécaniques comportant des pièces généralement métalliques en contact et en mouvement relatif (mécanismes de pompes, paliers, engrenages, roulements, charnières, implants orthopédiques, ...). Les conséquences du couplage entre le frottement et la corrosion sont complexes à maîtriser compte-tenu du nombre élevé et de la variété des paramètres qui déterminent le comportement du système tribologique.

The present work is devoted to study the anisotropic behavior of an extruded aluminum alloy under cyclic loading in axial and shear directions. In the first part, we have studied its elastoplastic behavior through the evolution of stress–strain loops, isotropic and kinematic hardening and we have associated this behavior with the evolution of its elastic adaptation (shakedown). We have studied the behavior of the material in fatigue damage using the evolution of stiffness. Microstructural investigations were performed on fractured surfaces using scanning electron microscope (SEM) in orderto understand the evolution of fatigue damage during cyclic loading. In the second part, we have simulated all the tests performed in the experimental part using the new version of multimechanisms model. The obtained results show that this version is able to take into account the anisotropic behavior of the materials under stress controlled tests.; Cette thèse s’ajoute aux différents travaux de recherche qui traitent des alliages d’aluminium fortement utilisés dans l’industrie aéronautique et contribue fortement à comprendre le comportement élastoplastique en chargement cyclique à contrainte imposée du 2017A. L’apport essentiel de ce travail est l’étude de l’anisotropie propre du matériau utilisé à travers le suivi de l’évolution des différents paramètres caractérisant la plasticité cyclique de notre matériau. En effet, nous avons caractérisé cette anisotropie en comparant le comportement du matériau en traction-compression avec celui de la torsion alternée selon l’évolution cyclique de la réponse contrainte-déformation, l’évolution de l’état stabilisé, l’évolution des variables d’écrouissages cinématique et isotrope ainsi que l’anisotropie selon le comportement en fatigue et endommagement. Pour mieux affiner la partie expérimentale de ce travail, des investigations microstructurales des faciès de rupture de toutes les éprouvettes utilisées ont été effectuées afin de mieux comprendre les mécanismes d’endommagement cyclique dans notre matériau. Dans la partie numérique de cette thèse, nous avons réalisé des simulations numériques en utilisant la dernière version du modèle multimécanismes qui tient compte de l’anisotropie du matériau. Les résultats de ces simulations, réalisées en considérant les mêmes conditions de nos essais expérimentaux, confirment les capacités de cette nouvelle version à estimer le comportement élastoplastique d’un matériau anisotrope.

International audience; This paper presents a ductile damage-gradient based nonlocal and fully coupled elastoplastic constitutive equations by adding a Helmholtz equation to regularize the initial and boundary value problem (IBVP) exhibiting some damage induced softening. First, a thermodynamically-consistent formulation of gradient-regularized plasticity fully coupled with isotropic ductile damage and accounting for mixed non linear isotropic and kinematic hardening is presented. For the sake of simplicity, only a simplified version of this model based on von Mises isotropic yield function and accounting for the single nonlinear isotropic hardening is studied and implemented numerically using an in house FE code. An additional partial differential equation governing the evolution of the nonlocal isotropic damage is added to the equilibrium equations and the associated weak forms derived to define the IBVP (initial and boundary value problem). After the time and space discretization, two algebraic equations: one highly nonlinear associated with the equilibrium equation and the second purely linear associated with the damage non locality equation are obtained. Over a typical load increment, the first equation is solved iteratively thanks to the Newton-Raphson scheme and the second equation is solved directly to compute the nonlocal damage at each node. All the constitutive equations are “strongly” affected by this nonlocal damage variable transferred to each integration point. Some applications show the ability of the proposed approach to obtain a mesh independent solution for a fixed value of the length scale parameter. Comparisons between fully local and nonlocal solutions are given.; Dans cet article, nous présentons la régularisation d’un modèle élastoplastique à écrouissage isotrope non-linéaire couplé à un endommagement ductile isotrope non local solution d’une équation de Helmholtz en gradient d’endommagement. Dans un premier temps, nous présentons la formulation thermodynamique du modèle élastoplastique à écrouissages cinématique et isotrope non-linéaires couplé à l’endommagement non local. Par simple souci d’abréviation, une version simplifiée de ce modèle basée sur le critère de von Mises avec un écrouissage purement isotrope non-linéaire couplé à l’endommagement non local est traité numériquement. Une équation différentielle aux dérivées partielles régissant la non localité de l’endommagement est ajoutée à l’équation d’équilibre pour en déduire deux formes variationnelles faibles définissant le problème aux valeurs initiales et aux limites associé. Après discrétisation spatiale par EF (éléments-finis) et temporelle par DF (différences finies) un système algébrique à deux équations matricielles l’une non-linéaire associée à l’équilibre et l’autre linéaire associée à la non localité de l’endommagement est obtenu. Sur chaque incrément de temps, la résolution de l’équation d’équilibre se fait itérativement en utilisant un schéma de Newton-Raphson, alors que la résolution de l’équation de non localité se fait d’une manière directe en calculant une variable nodale à chaque nœud du maillage. Cette variable non locale est alors transférée aux points de Gauss pour les besoins du couplage comportement-endommagement. Quelques applications sont présentées pour montrer l’indépendance de la solution vis-à-vis de la taille du maillage et une comparaison entre les solutions obtenues par les modèles local et non local est systématiquement faite.

This study is dedicated to the influence of ball-end tool finishing milling on surface integrity and fatigue life of components made of high-strength bainitic steels. Surface integrity, defined in terms of microgeometry, residual stresses and hardening, was experimentally characterized for different values of the machining parameters, including the tool inclination. Fluctuations of the residual stresses field – measured by X-ray diffraction – perpendicular to the grooves generated by the tool were exhibited at different depths beneath the surface. Fatigue bending tests performed on machined or polished flat specimens, submitted or not to a heat treatment to relax the residual stresses, exhibited the influence of the surface integrity on fatigue life. Fatigue tension tests and self-heating measurements exhibited a competition between micro-plasticity and micro-cracking mechanisms. A hybrid approach is proposed to predict the mechanical state induced by the milling process. This approach consists in simulating – without modelling the removal of the material- the effect of a thermo-mechanical loading equivalent to the cutting process. This thermo-mechanical loading should be derived from temperature and cutting forces measurements preformed during cutting tests. A probabilistic approach is proposed to predict the influence of surface integrity on fatigue life. This approach was validated for cases when micro-cracking mechanism is predominant. The approach is then based on fracture mechanics and takes account of the micro-geometry via the micro-cracks size population measured in the valleys of the grooves generated by the tool., Cette étude est dédiée à l’influence du fraisage de finition avec outil à extrémité hémisphérique sur l’intégrité de surface et la durée de vie en fatigue de pièces en acier bainitique à haute limite d'élasticité. L'intégrité de surface – microgéométrie, contraintes résiduelles et écrouissage – est caractérisée expérimentalement pour différentes valeurs des paramètres d'usinage, dont l'angle d'inclinaison de l'outil. L'hétérogénéité du champ de contraintes résiduelles perpendiculairement aux sillons générés par l’outil est mise en évidence à différentes profondeurs. Des essais de fatigue en flexion sur éprouvettes brutes d'usinage ou polies, avec ou sans traitement thermique de relaxation des contraintes résiduelles, mettent en évidence l'influence de l’intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Des essais de fatigue en traction avec mesures d'auto-échauffement mettent en évidence une compétition entre mécanismes de micro-plasticité et de micro-fissuration. Une approche hybride est proposée pour prévoir l'état mécanique de la pièce usinée après fraisage. L'effet sur la surface usinée d'un chargement thermo-mécanique équivalent à l'opération de coupe et déduit d'essais d'usinage instrumentés est alors simulé numériquement sans modéliser l’enlèvement de matière. Une approche probabiliste est proposée pour prévoir l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Cette approche, restreinte au cas où le mécanisme de microfissuration est prédominant est validée grâce à la prise en compte de la microgéométrie. Le modèle est alors de type mécanique de la rupture et basée sur une mesure de la population de tailles d’entaille au fond des creux générés par l'outil.

The industrial aim of this work performed on Hadfield steels is to increase the railway crossings life. The work is divided in four parts. The first part analyses the problems encountered in present time on the railways crossings. The second part is a state of the knowledges on the properties of steels with composition near the actual one (GX120Mn13). Five alloys have been chosen, which have been submitted to mechanical and tribological tests in the third and the fourth parts. A device on a rotatory tribometer has been designed in order to perform rolling fatigue tests. An impact-sliding-wear machine has been designed and checked in order to impose to the materials solicitations near the service ones. With regard to the mechanical tests has been studied the behaviour in tensile and compression at strain rates till 10 s-1. These tests demonstrated the very high workhardening of these austenitic alloys. The tribological tests (rolling fatigue, impact-sliding wear tests) enabled to identify the alloys with the highest wear resistance.; La finalité industrielle de ce travail mené sur des aciers de type Hadfield est l'amélioration de la tenue en service des cœurs de voie. Le mémoire comprend quatre parties. La première partie concerne la compréhension de la problématique rencontrée actuellement sur les cœurs de voie en service. La deuxième partie fait le point des connaissances sur les nuances d'acier dans la même gamme que la nuance actuelle (GX120Mn13). On a sélectionné cinq nuances et ces nuances ont fait l'objet d'une étude mécanique et tribologique dans les troisième et quatrième parties. Un montage sur un tribomètre rotatif a été conçu pour réaliser des essais de fatigue de contact en roulement. Un banc d'essai de chocs-glissement a été conçu et mis au point pour imposer aux matériaux des sollicitations proches de celles exercées en service. Au niveau essai mécanique, le comportement en traction et en compression à des vitesses allant jusqu'à 10 s-1 a été étudié. Ces essais ont montré la capacité d'écrouissage extraordinaire de ces aciers austénitiques. Les essais tribologiques de roulement et de chocs glissement ont permis de déterminer les nuances qui présentent la meilleure résistance à l'usure.

The single crystal plasticity study has a real interest for the strain metals understanding during their forming process. Among the possible causes of FCC single crystal plasticity, the slip of linear defects (dislocations) is the dominant mechanism of deformation. The analysis of their movements (the origin of deformation), their accumulation and their interactions (the origin of strain hardening) is necessary if one wish to build models of macroscopic mechanical behaviour having a physical meaning. A pertinent technical analysis is the simulation of the plasticity directly at the defect scale using the Discrete Dislocation Dynamics code (DDD). This simulation code is an alternative to the experimental techniques such as Transmission Electron Microscopy, giving access to the heterogeneous distribution of the internal stress that prevail in the dislocations microstructure and who determine the mechanical behaviour. This tool offer real opportunities to building macroscopic behaviour models. In this PhD, the analysis conducted in DDD give a real insight onto the state variables needed to characterize the dislocations microstructure, and offer an original way to mathematically describe its physical state evolution. This approach is developed to establish a very rich modelling of crystal plasticity, able to account for complex effects of isotropic and kinematic hardening. The proposed model is able to simulating a wide range of plastic strain amplitudes ranging from fatigue at many number of cycles (ep = 10-5) to monotonic traction (ep > 100 %) without need for recalibration of parameters., L'étude de la plasticité des monocristaux présente un réel intérêt pour la compréhension de la déformation des métaux pendant leur mise en forme. Parmi les causes possibles de la plasticité des monocristaux CFC, le glissement de dislocations est le mécanisme de déformation prépondérant. L'analyse de leurs mouvements (à l'origine de la déformation), de leur accumulation et de leurs interactions (à l'origine de l'écrouissage) est alors nécessaire si l'on souhaite établir des modélisations macroscopiques du comportement mécanique qui aient un sens physique. Une technique d'analyse pertinente est la simulation par la Dynamique des Dislocations Discrètes (DDD), permettant la simulation de la plasticité directement à l'échelle de la dislocation. Ce code, permet de remplacer les techniques expérimentales comme la Microscopie Electronique en Transmission, en donnant accès à la répartition hétérogène des contraintes qui règnent au sein des microstructures de dislocations et qui conditionnent complètement le comportement mécanique. Dans cette thèse, les analyses réalisées en DDD donnent un réel éclairage sur les variables d'état nécessaires à la caractérisation d'une microstructure de dislocations, et à la description mathématiquement de son état physique. Cela permet d'établir une modélisation riche de la plasticité cristalline, apte à rendre compte d'effets d'écrouissage isotropes et cinématiques complexes. La modélisation proposée est adaptée à simuler une large gamme d'amplitudes de déformations plastiques, allant de la fatigue à grand nombre de cycles (ep = 10-5) jusqu'à la traction monotone (ep >100 %) sans nécessité de recalage de paramètres.

Ultra High Performance Fibre Reinforced Concretes (UHPFRC) are characterised by high mechanical performance, extremely low permeability and tensile strain hardening. For structural applications, in composite structures they are very well adapted for reinforcement and protection of existing concrete members. Cast in-situ, they undergo under restraint development of tensile eigenstresses at early age, which can lead in some specific cases of applications to localised macrocracking of a new layer and loss of protective function. On the other hand their tensile viscoelastic potential helps mitigate these stresses. The objective of this study was to investigate the tensile viscoelastic properties of UHPFRC at early ages and long-term in creep and relaxation tests. A large experimental campaign with tensile creep and relaxation tests was performed, with load levels ranging from 30 to 90% of the tensile strength, including creep and relaxation tests during the strain hardening phase, at two different loading ages of 3 and 7 days. Three main testing setups were used: TSTM (Temperature Stress Testing Machine), creep rigs and closed-loop servo-hydraulic testing machine with additional Acoustic Emission detection. The influence of early age evolution in mechanical response and underlying mechanisms governing this response were discussed. Linear viscoelastic models were used to analyse and to highlight on the basis of the experimental results the non-linear behavior depending on solicitation level and loading sequence. The non-linear threshold for viscoelastic response was estimated for the material loaded at 3 and 7 days. The early age mechanical response at 3 days was proportional to the load level in the instantaneous part for three stress levels tested 30, 60 and 90% of the tensile strength, and showed non-linear creep from 60% on. It was observed that for a very low stress level of 13% the creep deformation was decreasing. Relaxation tests with compensation of simultaneously monitored shrinkage deformation were performed, and showed a viscoelastic potential similar to the one observed for creep for the low load level of 30%. Incremental creep and relaxation tests were successfully performed for 3 days age specimens. For higher stress levels, the viscoelastic response from creep tests was more pronounced than in relaxation tests, which was highlighted by analysis with linear viscoelastic models. The creep response at 7 days showed that the threshold for non-linear viscoelasticity is close to 9 MPa (81% of the tensile strength) load level. The Acoustic Emission non-destructive testing method was used to get insight on the physical mechanisms involved in viscoelastic deformations. A strong correlation between AE number of events and the deformation was found, also the amplitude and energy of AE events was found to be of the same order during the instantaneous and delayed deformations. UHPFRC loaded at 7 days age in incremental test showed linear behavior until very high stress level corresponding to the hardening domain. The non-linear and tertiary creep was obtained during the last loading step, for 12 and 11 MPa respectively, which occurred in the hardening domain. The Acoustic Emission monitoring confirmed very close correlation between non-linear creep and AE cumulative number of events induced by microcracking. In order to precisely detect non-linear phenomena in incremental test, analysis with linear viscoelastic models was performed. Comparison between creep and relaxation test results showed that non-linear viscoelastic phenomena were more actively involved in creep tests. The outcomes of this research, bridging the material science and structural engineering, provide useful data to foster applications in new and existing structures, making the best use of the tensile viscoelastic potential of UHPFRC.

The present work deals with crystal plasticity of single crystal nickel-base superalloys. In this context, a scale transition of transferring information from mesoscale towards a physically justified micromechanical model is shown. A numerical coupling between dislocation dynamic simulations and the finite element method, the so-called Discrete-Continuous Model (DCM) is used in order to take into account the mutual interactions between dislocations and precipitates. In a first application, the dependence of the mechanical properties on the channel width is investigated. The relationship between simulated microstructures of dislocation, flow stress and plastic strain is then analysed. A second set of calculations addresses the anisotropic mechanical response of single crystal superalloys. Analyses of dislocation interactions show the crucial role of one active slip system and its collinear system in the strain localisation in the form of slip bands. Furthermore, screening of long-range elastic interactions associated to the interfacial dislocation network explain the origin of the low hardening rate observed in -oriented specimens at high temperatures. From these interpretations at the dislocation scale, two different modelling approaches are developed. On the one hand, one model uses the geometrically necessary dislocations in a hardening law. Both the formation and the evolution of the dislocation microstructures are analysed: comparison with results obtained by the DCM shows some short comings of this continuous approach. Then, a second micromechanical model based on a homogenisation procedure is justified. Its global response is determined by the microstructure and the mechanical interactions between its subdomains. In this micromechanical model, the local mechanisms are physically described and the constitutive laws are written in terms of mobile dislocation densities. It has been identified at 850 and 950°C, and successfully validated on the single crystal superalloy CMSX-4.; Ce présent travail s'inscrit dans le cadre de la modélisation multi-échelles de la plasticité cristalline des superalliages monocristallins à base nickel. Dans ce contexte, une transition d'informations recueillies à l'échelle mésoscopique justifiant physiquement un modèle micromécanique est mise en évidence. Un couplage entre une simulation par dynamique des dislocations et la méthode des éléments finis, le Modèle Discret-Continu (MDC) est utilisé afin de reproduire les interactions entre dislocations et précipités. Une première application a pour objet de décrire des effets d'échelle induits par une variation de la largeur du couloir de matrice sur les propriétés mécaniques. La relation entre les microstructures simulées de dislocations, la contrainte d'écoulement et la déformation plastique est appréhendée. Une seconde étude traite l'influence de l'orientation du chargement sur le comportement mécanique du superalliage. Les interactions entre les systèmes primaires et déviés sont discutées et leur rôle majeur dans la localisation de la déformation plastique dans les couloirs de matrice est démontré. Par ailleurs, l'écrantage des interactions élastiques à longues portées associées aux réseaux de dislocations d'interface explique l'origine du faible taux d'écrouissage observé pour des essais orientés à hautes températures. Fortes des interprétations faites à l'échelle des dislocations, deux modélisations de nature très différentes sont développées. Une première évoque dans sa formulation une loi de durcissement dictée par une densité de dislocations géométriquement nécessaires. La formation et l'évolution des microstructures de dislocations sont étudiées : la comparaison avec les résultats obtenus avec le MDC montre les faiblesses de cette approche continue. On justifie ainsi le développement d'un second modèle micromécanique par homogénéisation, pour lequel la réponse globale du matériau est déterminée en considérant les rôles de la microstructure et des interactions mécaniques entre constituants. Dans ce modèle, les mécanismes locaux sont décrits de manière physique et les lois d'écrouissage sont écrites en termes de densités de dislocations mobiles. Il a été identifié à 850 et 950°C, et validé avec succès sur le superalliage CMSX-4 monocristallin.

The present work deals with crystal plasticity of single crystal nickel-base superalloys. In this context, a scale transition of transferring information from mesoscale towards a physically justified micromechanical model is shown. A numerical coupling between dislocation dynamic simulations and the finite element method, the so-called Discrete-Continuous Model (DCM) is used in order to take into account the mutual interactions between dislocations and precipitates. In a first application, the dependence of the mechanical properties on the channel width is investigated. The relationship between simulated microstructures of dislocation, flow stress and plastic strain is then analysed. A second set of calculations addresses the anisotropic mechanical response of single crystal superalloys. Analyses of dislocation interactions show the crucial role of one active slip system and its collinear system in the strain localisation in the form of slip bands. Furthermore, screening of long-range elastic interactions associated to the interfacial dislocation network explain the origin of the low hardening rate observed in -oriented specimens at high temperatures. From these interpretations at the dislocation scale, two different modelling approaches are developed. On the one hand, one model uses the geometrically necessary dislocations in a hardening law. Both the formation and the evolution of the dislocation microstructures are analysed: comparison with results obtained by the DCM shows some short comings of this continuous approach. Then, a second micromechanical model based on a homogenisation procedure is justified. Its global response is determined by the microstructure and the mechanical interactions between its subdomains. In this micromechanical model, the local mechanisms are physically described and the constitutive laws are written in terms of mobile dislocation densities. It has been identified at 850 and 950°C, and successfully validated on the single crystal superalloy CMSX-4., Ce présent travail s'inscrit dans le cadre de la modélisation multi-échelles de la plasticité cristalline des superalliages monocristallins à base nickel. Dans ce contexte, une transition d'informations recueillies à l'échelle mésoscopique justifiant physiquement un modèle micromécanique est mise en évidence. Un couplage entre une simulation par dynamique des dislocations et la méthode des éléments finis, le Modèle Discret-Continu (MDC) est utilisé afin de reproduire les interactions entre dislocations et précipités. Une première application a pour objet de décrire des effets d'échelle induits par une variation de la largeur du couloir de matrice sur les propriétés mécaniques. La relation entre les microstructures simulées de dislocations, la contrainte d'écoulement et la déformation plastique est appréhendée. Une seconde étude traite l'influence de l'orientation du chargement sur le comportement mécanique du superalliage. Les interactions entre les systèmes primaires et déviés sont discutées et leur rôle majeur dans la localisation de la déformation plastique dans les couloirs de matrice est démontré. Par ailleurs, l'écrantage des interactions élastiques à longues portées associées aux réseaux de dislocations d'interface explique l'origine du faible taux d'écrouissage observé pour des essais orientés à hautes températures. Fortes des interprétations faites à l'échelle des dislocations, deux modélisations de nature très différentes sont développées. Une première évoque dans sa formulation une loi de durcissement dictée par une densité de dislocations géométriquement nécessaires. La formation et l'évolution des microstructures de dislocations sont étudiées : la comparaison avec les résultats obtenus avec le MDC montre les faiblesses de cette approche continue. On justifie ainsi le développement d'un second modèle micromécanique par homogénéisation, pour lequel la réponse globale du matériau est déterminée en considérant les rôles de la microstructure et des interactions mécaniques entre constituants. Dans ce modèle, les mécanismes locaux sont décrits de manière physique et les lois d'écrouissage sont écrites en termes de densités de dislocations mobiles. Il a été identifié à 850 et 950°C, et validé avec succès sur le superalliage CMSX-4 monocristallin.

This work deals with the study of the Single Point Incremental Forming process (SPIF). This new drawing process is mainly used in prototyping and small batch production. A sheet metal part is formed by a local spinning using a displacement-controlled small tool size in comparison with the sheet size. Firstly, a SPIF pilot instrumented with a multi-axial force sensor and with a multi-camera system allowing full-field optical measurements by 3D-Digital Image Correlation (3D-DIC) has been developed in the laboratory. Thanks to this SPIF device, a parametric study of the process was carried out on aluminium alloys sheets, mainly concerning the formability and drawability. Then, several identification methods are implemented to identify parameters of yield criteria (Hill48, Hill90 and Barlat) and isotropic hardening laws that modelise the elastoplastic anisotropic behaviour of the studied sheet. The Finite Element Method Updated, based on full-field measurements, was particularly developed. Finally, a finite element simulation of a simple path in incremental forming is carry out using the identified behaviour models, these results are compared with some experimental results.; Ce travail est consacré à l'étude du procédé de formage incrémental simple point (Single Point Incremental Forming, SPIF). Ce nouveau procédé de mise en forme de tôles à froid est surtout utilisé pour le prototypage et la réalisation de petites séries. Son principe est basé sur le repoussage local de la matière par un poinçon de petite taille devant les dimensions de la tôle et contrôlé en déplacement. Dans un premier temps, un pilote de SPIF équipé d'un capteur de forces tri-axes et d'un banc multi-caméras permettant l'utilisation de la mesure de champs par stéréo-corrélation a été développé au laboratoire. Au moyen de celui-ci, une étude paramétrique du procédé SPIF concernant entre autre la formabilité et l'emboutissabilité de tôles d'alliage d'aluminium a été tout d'abord réalisée. Ensuite, plusieurs méthodes d'identification ont été mises en œuvre afin d'identifier les paramètres de critères de plasticité (Hill48, Hill90 et Barlat) et de lois d'écrouissage isotrope permettant de modéliser le comportement élastoplastique anisotrope des tôles étudiées. La méthode d'identification à partir de mesures de champs par recalage de modèle Eléments-Finis a notamment été développée. Enfin, à partir des modèles identifiés, une simulation éléments finis d'une trajectoire simple en formage incrémental a été réalisée, ces résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux.

This work deals with the study of the Single Point Incremental Forming process (SPIF). This new drawing process is mainly used in prototyping and small batch production. A sheet metal part is formed by a local spinning using a displacement-controlled small tool size in comparison with the sheet size. Firstly, a SPIF pilot instrumented with a multi-axial force sensor and with a multi-camera system allowing full-field optical measurements by 3D-Digital Image Correlation (3D-DIC) has been developed in the laboratory. Thanks to this SPIF device, a parametric study of the process was carried out on aluminium alloys sheets, mainly concerning the formability and drawability. Then, several identification methods are implemented to identify parameters of yield criteria (Hill48, Hill90 and Barlat) and isotropic hardening laws that modelise the elastoplastic anisotropic behaviour of the studied sheet. The Finite Element Method Updated, based on full-field measurements, was particularly developed. Finally, a finite element simulation of a simple path in incremental forming is carry out using the identified behaviour models, these results are compared with some experimental results.; Ce travail est consacré à l'étude du procédé de formage incrémental simple point (Single Point Incremental Forming, SPIF). Ce nouveau procédé de mise en forme de tôles à froid est surtout utilisé pour le prototypage et la réalisation de petites séries. Son principe est basé sur le repoussage local de la matière par un poinçon de petite taille devant les dimensions de la tôle et contrôlé en déplacement. Dans un premier temps, un pilote de SPIF équipé d'un capteur de forces tri-axes et d'un banc multi-caméras permettant l'utilisation de la mesure de champs par stéréo-corrélation a été développé au laboratoire. Au moyen de celui-ci, une étude paramétrique du procédé SPIF concernant entre autre la formabilité et l'emboutissabilité de tôles d'alliage d'aluminium a été tout d'abord réalisée. Ensuite, plusieurs méthodes d'identification ont été mises en œuvre afin d'identifier les paramètres de critères de plasticité (Hill48, Hill90 et Barlat) et de lois d'écrouissage isotrope permettant de modéliser le comportement élastoplastique anisotrope des tôles étudiées. La méthode d'identification à partir de mesures de champs par recalage de modèle Eléments-Finis a notamment été développée. Enfin, à partir des modèles identifiés, une simulation éléments finis d'une trajectoire simple en formage incrémental a été réalisée, ces résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux.

The development of micro- and nano- technologies is strongly correlated with the knowledge of the mechanical behavior of constitutive thin coatings. Experimental characterization is mandatory insofar as mechanical properties, at such a scale, are dependent of micro structural features and its history. Moreover, there are numerous implementations of thin coatings. This the sis reports a transversal approach, based on nanoindentation setup, in order to address the characterization of coatings deposited on substrate, and on uni axial tensile tests for freestanding specimens with a thickness less than the micrometer. Particularly, it lies on an itinerant microtensile apparatus, improved and evaluated during this work through campaigns performed on sputtering aluminium with thicknesses down to 700nm and 4µm thick electroplated gold.; Le développement des micro- et nano- technologies est aujourd'hui dépendant de la connaissance du comportement mécanique des couches minces constitutives de ces dispositifs. La caractérisation expérimentale des matériaux est primordiale car les propriétés mécaniques se trouvent, à une telle échelle, fortement dépendantes de l'historique de la couche et de sa microstructure. D'autre part, la mise en œuvre de ces couches minces est multiple. Cette thèse présente une approche transversale, s'articulant autour de techniques de nanoindentation, pour caractériser des couches déposées sur substrat, et de traction uniaxiale applicable à des couches minces autoportantes d'épaisseur submicronique. Elle s'appuie notamment sur un concept de platine de microtraction nomade qui a été amélioré et évalué à l'aide d'une mise en œuvre sur des éprouvettes en aluminium pulvérisé d'épaisseur variant entre 700nm et 1,5µm et des éprouvettes d'or électrolytique de 4µm d'épaisseur.

A study was carried out on the volute of the primary pump of the refrigeration circuit of a 900 MW Nuclear Power Station. The aim is to prove that the pump can withstand the application of a thermal transient from 10°C to 180°C whilst remaining in service. Two calculation methods were used in order to validate and compare the results obtained. Furthermore, both an elastic and a plastic model of the volute were made. For the plastic model, three types of work hardening behaviour were analysed: isotropic, kinematic and “Chaboche” work hardening. Plastic shakedown is exhibited for all three material models; therefore, thermal ratchet is avoided. The final strain states resulting from each type of behaviour were also compared. The Chaboche model gives the smallest plastic strain (both cumulated and instantaneous.) The « Level A » criteria of the RCC-M (Design and Construction Rules for Materials in Pressurised Water Reactor nuclear power stations) are satisfied. It was proven that the volute avoids failure by rupture, thermal ratchet and fatigue. It was found that the lifetime and therefore, the usage factor of the volute are both acceptable; therefore, the lifetime can be prolonged according to the criteria used in this case study.; Une étude a été réalisée de la volute de la pompe du circuit de Refroidissement du Réacteur à l'Arrêt (RRA) des centrales 900 MW. L'objectif est de démontrer que la pompe peut supporter l'application d'un transitoire thermique de 10°C à 180°C, tout en restant opérationnelle. Deux méthodes de calcul aux éléments finis étaient utilisées afin de valider et comparer les résultats obtenus. De plus, la volute était modélisée en élasticité et en plasticité. Pour le comportement plastique, trois types d'écrouissage étaient analysés : isotrope, cinématique et de Chaboche. L'accommodation plastique a lieu pour tous les trois types de comportement, donc la déformation progressive est évitée. Les déformations finales qui étaient renvoyées des trois types d'écrouissage étaient comparées. L'écrouissage de Chaboche renvoie la déformation plastique minimale (soit cumulée, soit instantanée.) Les critères du niveau A du RCC-M (Règles de Conception et de Construction des Matériaux des îlots nucléaires REP) étaient satisfaits ; il a été assuré que la volute évite les dommages de la rupture brutale, la déformation progressive et la fatigue. Il était trouvé que la durée de vie, et donc, le facteur d'usage de la volute étaient acceptables et donc, sa durée de vie peut être prolongée selon les critères utilisés ici.

http://giens2009.lmt.ens-cachan.fr/actes2.php; National audience; Il est proposé, dans ce travail, un modèle de comportement mécanique anisotrope des alliages de titane. Pour suivre la matière, les axes d'anisotropie sont réactualisés par le gradient de la transformation. Le comportement élasto-plastique se compose d'un critère de plasticité anisotrope, d'un écrouissage cinématique et isotrope. Plusieurs critères de plasticité sont implémentés, dont celui de Cazacu 2006 pour les métaux à structure hexagonale compacte. La simulation de plusieurs procédés de mise en forme (emboutissage, gonflage) conclut cette étude.

The development of micro- and nano- technologies is strongly correlated with the knowledge of the mechanical behavior of constitutive thin coatings. Experimental characterization is mandatory insofar as mechanical properties, at such a scale, are dependent of micro structural features and its history. Moreover, there are numerous implementations of thin coatings. This the sis reports a transversal approach, based on nanoindentation setup, in order to address the characterization of coatings deposited on substrate, and on uni axial tensile tests for freestanding specimens with a thickness less than the micrometer. Particularly, it lies on an itinerant microtensile apparatus, improved and evaluated during this work through campaigns performed on sputtering aluminium with thicknesses down to 700nm and 4µm thick electroplated gold., Le développement des micro- et nano- technologies est aujourd'hui dépendant de la connaissance du comportement mécanique des couches minces constitutives de ces dispositifs. La caractérisation expérimentale des matériaux est primordiale car les propriétés mécaniques se trouvent, à une telle échelle, fortement dépendantes de l'historique de la couche et de sa microstructure. D'autre part, la mise en œuvre de ces couches minces est multiple. Cette thèse présente une approche transversale, s'articulant autour de techniques de nanoindentation, pour caractériser des couches déposées sur substrat, et de traction uniaxiale applicable à des couches minces autoportantes d'épaisseur submicronique. Elle s'appuie notamment sur un concept de platine de microtraction nomade qui a été amélioré et évalué à l'aide d'une mise en œuvre sur des éprouvettes en aluminium pulvérisé d'épaisseur variant entre 700nm et 1,5µm et des éprouvettes d'or électrolytique de 4µm d'épaisseur.

International audience; Rockfall protection embankments are ground lev-ees designed to stop falling boulders. This paper investigates the behaviour of geocells to be used as components of these structures. Geocells, or cellular confinement systems, are composite structures associating a manufactured envelope with a granular geomaterial. Single cubic geocells were subjected to the impact resulting from dropping a spherical boulder. The geocells were filled with fine or coarse materials and different boundary conditions were applied on the lateral faces. The response is analysed in terms of the impact force and the force transmitted by the geocell to its rigid base. The influence on the geocell response of both the fill material and the cell boundary conditions is analysed. The aim was to identify the conditions resulting in greatest reduction of the transmitted force and also to provide data for the validation of a specific numerical model.; Les grillages à mailles hexagonales double torsion sont employés dans de nombreux domaines du génie civil (structures construites à partir de gabions, filets plaqués de protection contre des éboulements rocheux, etc.). Cet article présente une approche basée sur la méthode aux éléments discrets (« DEM ») pour modéliser ce système mécanique particulier. Le comportement mécanique du métal constitutif du grillage est modélisé dans le cadre usuel de l'élasto-plasticité en déformations finies où l'écrouissage du matériau et sa rupture sont traités. Les paramètres du modèle sont calibrés d'un point de vue macroscopique en comparant les résultats des simulations à des essais de traction expérimentaux effectués à l'échelle d'une nappe de grillage. Des essais expérimentaux complémentaires, effectués avec différentes tailles de mailles et diamètres de fil, sont simulés et apportent des éléments permettant de valider l'approche numérique. Pour finir, les possibilités de la modélisation sont explorées. La simulation d'une structure de protection contre les éboulement rocheux soumise à un impact de projectile est présentée et les résultats obtenus sont discutés dans une perspective d'ingéniérie.

International audience; Cet article propose d'analyser l'usinabilité en tournage d'un acier martensitique en fonction de la vitesse de coupe par observation topographique de la surface. Nous décrivons d'abord une méthodologie pour chercher le paramètre de rugosité le plus pertinent afin de caractériser l'influence de la vitesse de coupe sur la topographie de la surface obtenue. La moyenne des pentes du profil permet d'estimer une vitesse critique qui correspond à une transition de régime dans le mode d'usinage. Elle met également en évidence l'influence de la vitesse de coupe à l'intérieur de chacun de ces deux régimes, ce qu'un critère plus conventionnel tel que le Ra ne permet pas de différencier. Dans une deuxième partie de cette étude, l'usinabilité est analysée en utilisant la théorie du chaos. Partant de la topographie de la surface usinée, nous développons une méthode originale pour construire un attracteur qui s'avère être bidimensionnel. La construction de cet attracteur résulte de deux fonctions : la première caractérise l'effet de l'écrouissage dû à la coupe et la seconde l'effet de l'adoucissement thermique. À basse vitesse de coupe, ces deux mécanismes deviennent intimement liés et l'attracteur possède un point fixe : la coupe s'effectue par écrouissage généralisé. Au-delà d'une vitesse critique, l'attracteur présente deux états indiquant l'apparition d'une instabilité de coupe. Deux régimes se succèdent : l'écrouissage par cisaillement localisé puis l'adoucissement causé par l'élévation de température. Cette instabilité est confirmée par une augmentation de la dimension fractale avec la vitesse de coupe du profil reconstruit d'après l'attracteur.

The topic of the thesis is focused on the investigation of the mechanical properties of the copper thin films. These properties are investigated by the finite element method within the framework of classical crystal plasticity and discrete dislocation dynamics. The elasto-plastic simulations show that the presence of (001) and random oriented grains increases the level of stresses in adjacent (111) oriented grains. Comparison with experimental results shows that used model is not able to predict such high amount of hardening and level of stresses, which are measured during experiments. The evolution of hardening, plastic microstrain, and global and local surface roughness are investigated by the simulations of cyclic loading of copper polycrystalline aggregates. The hardening tends to saturate as well as the global roughness. The areas of the cumulated residual strain and areas with evolving local roughness are founded. These areas can be precursors of damage. The other approach in simulations of polycrystalline aggregates is represented by the discrete dislocation dynamics theory. The simulations show that the largest influence is given by the initial source length while the different film thickness does not change the results so much. The highest dislocation activity is observed in the (001) oriented grains and the lowest is in (111) oriented grains.; Le sujet de la thèse contenue l'étude de propriétés mécaniques des couches minces à base de cuivre. Ces propriétés sont étudiées à aide de la méthode élément finis dans le cadre de la plasticité cristalline classique et dans le cadre de dynamique discrète des dislocations. Les simulations élasto-plastiques montrent que la présence des grains avec une orientation (001) et aléatoire augmentent les contraintes dans les grains adjacents d'orientation (111). La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que le modele n'est pas capable de prévoir des contraintes aussi élevées que l'écrouissage quel sont mesurés dans les expériences.L'évolution de l'écrouissage, de la microdéformation plastique, de la rugosité locale et globale de la surface sont étudiées par les simulations de chargement cyclique d'agrégats polycristallins de cuivre. L'écrouissage et la rugosité saturent pendant le chargement. Il existe des régions où la déformation résiduelle cumulée et la rugosité locale évoluent pendant le chargement cyclique. Ces régions favorisent par l'amorçage de l'endommagement. L'autre approche dans les simulations des agrégats polycristallins est représentée par la théorie de la dynamique discrète des dislocations. Les simulations montrent que la plus grande influence est due à la longueur initiale des sources. Par contre, l'épaisseur des films a peu d'influence sur la comportement du film. Les dislocations sont le plus actives dans les grains avec une orientation (001) et l'activité minimale est observée dans les grains avec une orientation (111).

The topic of the thesis is focused on the investigation of the mechanical properties of the copper thin films. These properties are investigated by the finite element method within the framework of classical crystal plasticity and discrete dislocation dynamics. The elasto-plastic simulations show that the presence of (001) and random oriented grains increases the level of stresses in adjacent (111) oriented grains. Comparison with experimental results shows that used model is not able to predict such high amount of hardening and level of stresses, which are measured during experiments. The evolution of hardening, plastic microstrain, and global and local surface roughness are investigated by the simulations of cyclic loading of copper polycrystalline aggregates. The hardening tends to saturate as well as the global roughness. The areas of the cumulated residual strain and areas with evolving local roughness are founded. These areas can be precursors of damage. The other approach in simulations of polycrystalline aggregates is represented by the discrete dislocation dynamics theory. The simulations show that the largest influence is given by the initial source length while the different film thickness does not change the results so much. The highest dislocation activity is observed in the (001) oriented grains and the lowest is in (111) oriented grains.; Le sujet de la thèse contenue l'étude de propriétés mécaniques des couches minces à base de cuivre. Ces propriétés sont étudiées à aide de la méthode élément finis dans le cadre de la plasticité cristalline classique et dans le cadre de dynamique discrète des dislocations. Les simulations élasto-plastiques montrent que la présence des grains avec une orientation (001) et aléatoire augmentent les contraintes dans les grains adjacents d'orientation (111). La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que le modele n'est pas capable de prévoir des contraintes aussi élevées que l'écrouissage quel sont mesurés dans les expériences.L'évolution de l'écrouissage, de la microdéformation plastique, de la rugosité locale et globale de la surface sont étudiées par les simulations de chargement cyclique d'agrégats polycristallins de cuivre. L'écrouissage et la rugosité saturent pendant le chargement. Il existe des régions où la déformation résiduelle cumulée et la rugosité locale évoluent pendant le chargement cyclique. Ces régions favorisent par l'amorçage de l'endommagement. L'autre approche dans les simulations des agrégats polycristallins est représentée par la théorie de la dynamique discrète des dislocations. Les simulations montrent que la plus grande influence est due à la longueur initiale des sources. Par contre, l'épaisseur des films a peu d'influence sur la comportement du film. Les dislocations sont le plus actives dans les grains avec une orientation (001) et l'activité minimale est observée dans les grains avec une orientation (111).

Le présent travail à caractère théorique et numérique étudie le comportement mécanique des interfaces sol granulaire-structure ainsi que son application aux pieux isolés sous chargement statique. A partir du modèle de comportement élastoplastique d'interface bidimensionnel "MEPI 2D", un modèle tridimensionnel dit "MEPI 3D" est développé afin de mettre en évidence l'effet des contraintes de confinement tridimensionnelles régnant à l'interface au cours du cisaillement. Ces modèles considèrent un écrouissage déviatorique, prennent en compte l'état caractéristique (notion de contractance-dilatance) et intègrent l'état critique aux grands déplacements tangentiels. Les prévisions du comportement de l'interface à l'aide de MEPI 3D sont satisfaisantes. Parallèlement à cette contribution rhéologique, une méthodologie générale de modélisation numérique par éléments finis d'un essai de chargement de pieu est proposée. Les modèles MEPI 2D et MEPI 3D sont implantés dans le code de calcul aux éléments finis CESAR-LCPC. L'analyse numérique par CESAR-LCPC d'un pieu modèle en chambre d'étalonnage (Cermes, type 1), de pieux modèles sur site réel (Imperial College Pile, type 2) et d'un pieu en vraie grandeur (caisson du LCPC, type 3) est menée considérant les modélisations axisymétriques (MEPI 2D, MEPI 3D) et tridimensionnelles (MEPI 3D). En comparant les prévisions numériques aux données expérimentales, il est montré que le comportement des pieux est correctement reproduit. Par ailleurs, la comparaison de l'influence des modèles MEPI 2D et MEPI 3D est abordée.

National audience; Pour les indenteurs pointus et/ou les matériaux métalliques courants, de limite d'élasticité petite devant leur module d'Young, l'analyse qualitative a montré que l'élasticité a peu d'influence sur la pression de contact. Nous préci-sons ici les liens entre la contrainte d'écoulement plastique et la dureté des matériaux peu écrouissables, puis précisons l'influence de l'écrouissage pour les formes usuelles d'indenteur: sphère, cône de révolution, pyramide. Enfin, nous analysons le cas d'essais de dureté réalisés sur des matériaux étérogènes, du type matériau revêtu d'un film mince ou présentant une variation continue de dureté avec la distance à la surface (pièces soumises à un traitement de diffusion, par exemple). Cet article fait partie d'une série d'articles sur les essais de dureté: - Dureté des corps et analyse qualitative [M 4 154] ; - Dureté des métaux courants. Cas limite rigide-plastique [M 4 155] ; - Dureté des matériaux. Influence de l'élasticité (M 4 156]; - Dureté des corps. Analyse d'autres comportements [M 4 157]; - Pour en savoir plus [Doc. M 4 158]. Les symboles utilisés dans cet article ont pour la plupart déjà été introduits en [M 4 154]. Le lecteur se reportera utilement à son tableau de symboles.