Search

The main objective of this work, is to provide a numerical tool, capable of predicting the damage and fatigue life of thermoplastic matrix composites materials and structures. To do this, a multi-scale experimental study of the PPGF40 material (polypropylene loaded with 40% by mass of glass fiber) is carried out. A qualitative, but also a quantitative analysis of the various damage mechanisms occurring during mechanical loading was carried out through in-situ three-points SEM bending tests, interrupted fatigue tests and observations of fracture faces in monotonic and cyclic loading. In the light of these tests, we concluded that the decohesion of the fiber-matrix interface, and the propagation of cracks through the interfaces, appears to be, the predominant damage phenomenon leading to the fracture of the material and that, regardless of the orientation of the fibers and the loading mode. The proposed hybrid approach is based on a micromechanical / phenomenological model taking into account the damage at the fiber / matrix interface and the plasticity of the matrix. To do this, a local statistical criterion of damage at the fiber-matrix interface is introduced into a Mori and Tanaka model, and the linearization of the plastic behavior of the matrix is done step by step, using the mean field approach with a secant formulation. The micromechanical model used then, makes it possible to predict the behavior of the material under monotonic loading, and in particular the first stiffness loss during the fatigue. Analysis of the experimental results shows that the latter is directly related to the fatigue life of the material. Thus, a predictive methodology of the fatigue life is proposed and validated for various microstructural configurations. A fatigue failure criterion is proposed according to the number of cycles., L’objectif final de ce travail est de proposer un outil numérique capable de prédire l'endommagement et la durée de vie en fatigue des matériaux et structures en composite à matrice thermoplastique. Pour ce faire, une étude expérimentale multi-échelle du matériaux PPGF40 (polypropylène chargé en fibre de verre à 40% en masse) est réalisée. Une analyse qualitative, mais aussi quantitative des différents mécanismes d’endommagement se produisant lors d’une sollicitation mécanique a été réalisée à travers des essais de flexion trois points in situ MEB, des essais de fatigue interrompus et des observations des faciès de rupture en monotone et en fatigue. A la lumière de ces essais nous avons conclu que la décohésion de l’interface fibre-matrice et la propagation des fissures à travers les interfaces apparait être le phénomène prépondérant menant à la ruine du matériau et cela indépendamment de l’orientation des fibres et du mode de sollicitation monotone ou fatigue. La démarche hybride proposée est basée sur un modèle micromécanique / phénoménologique permettant de prendre en compte l’endommagement à l’interface fibre-matrice et la plasticité de la matrice. Pour ce faire, un critère local statistique d’endommagement à l’interface fibre-matrice est introduit dans un modèle de Mori et Tanaka et la linéarisation du comportement plastique de la matrice est réalisée pas à pas, en utilisant une approche en champs moyens avec une formulation sécante. Le modèle micromécanique utilisé permet alors de prédire le comportement du matériau sous chargement monotone et notamment la première perte de rigidité en fatigue. L’analyse des résultats montre que cette dernière est directement liée à la durée de vie en fatigue du matériau. Ainsi, une méthodologie prédictive de la durée de vie est proposée et validée pour différentes configurations microstructurales. Un critère de rupture en fatigue est proposé en fonction du nombre de cycles.

The main objective of this work, is to provide a numerical tool, capable of predicting the damage and fatigue life of thermoplastic matrix composites materials and structures. To do this, a multi-scale experimental study of the PPGF40 material (polypropylene loaded with 40% by mass of glass fiber) is carried out. A qualitative, but also a quantitative analysis of the various damage mechanisms occurring during mechanical loading was carried out through in-situ three-points SEM bending tests, interrupted fatigue tests and observations of fracture faces in monotonic and cyclic loading. In the light of these tests, we concluded that the decohesion of the fiber-matrix interface, and the propagation of cracks through the interfaces, appears to be, the predominant damage phenomenon leading to the fracture of the material and that, regardless of the orientation of the fibers and the loading mode. The proposed hybrid approach is based on a micromechanical / phenomenological model taking into account the damage at the fiber / matrix interface and the plasticity of the matrix. To do this, a local statistical criterion of damage at the fiber-matrix interface is introduced into a Mori and Tanaka model, and the linearization of the plastic behavior of the matrix is done step by step, using the mean field approach with a secant formulation. The micromechanical model used then, makes it possible to predict the behavior of the material under monotonic loading, and in particular the first stiffness loss during the fatigue. Analysis of the experimental results shows that the latter is directly related to the fatigue life of the material. Thus, a predictive methodology of the fatigue life is proposed and validated for various microstructural configurations. A fatigue failure criterion is proposed according to the number of cycles.; L’objectif final de ce travail est de proposer un outil numérique capable de prédire l'endommagement et la durée de vie en fatigue des matériaux et structures en composite à matrice thermoplastique. Pour ce faire, une étude expérimentale multi-échelle du matériaux PPGF40 (polypropylène chargé en fibre de verre à 40% en masse) est réalisée. Une analyse qualitative, mais aussi quantitative des différents mécanismes d’endommagement se produisant lors d’une sollicitation mécanique a été réalisée à travers des essais de flexion trois points in situ MEB, des essais de fatigue interrompus et des observations des faciès de rupture en monotone et en fatigue. A la lumière de ces essais nous avons conclu que la décohésion de l’interface fibre-matrice et la propagation des fissures à travers les interfaces apparait être le phénomène prépondérant menant à la ruine du matériau et cela indépendamment de l’orientation des fibres et du mode de sollicitation monotone ou fatigue. La démarche hybride proposée est basée sur un modèle micromécanique / phénoménologique permettant de prendre en compte l’endommagement à l’interface fibre-matrice et la plasticité de la matrice. Pour ce faire, un critère local statistique d’endommagement à l’interface fibre-matrice est introduit dans un modèle de Mori et Tanaka et la linéarisation du comportement plastique de la matrice est réalisée pas à pas, en utilisant une approche en champs moyens avec une formulation sécante. Le modèle micromécanique utilisé permet alors de prédire le comportement du matériau sous chargement monotone et notamment la première perte de rigidité en fatigue. L’analyse des résultats montre que cette dernière est directement liée à la durée de vie en fatigue du matériau. Ainsi, une méthodologie prédictive de la durée de vie est proposée et validée pour différentes configurations microstructurales. Un critère de rupture en fatigue est proposé en fonction du nombre de cycles.

With the evolution of humanity, modern constructions are proposed based on conventional materials. This is not without consequence because today the construction sector is the largest consumer of energy and the second emitter of CO2 in the world. This significantly impacts the climate of the planet. It is therefore essential today to develop materials that best respect the environment through their low greenhouse gas emission power and which consume little energy. This research is part of this process, which will contribute to the development of ecological materials for construction. We are interested in studying the elastic properties of a clay matrix composite, reinforced with vegetable rice straws. In view of the results obtained, it is shown that this material used in a traditional way in rural areas has interesting characteristics, which constitute reasons for its popularization with builders. The experimental tests in conjunction with the microstructural study made it possible to better control not only the distribution of the fibres in the matrix, but also to define the optimal formulation. The variation in the volume fraction of straws allows us to highlight the influence of straws on the earth material. Straws play the role of reinforcements in the clay-rice straw composite material (banco). They improve the tensile and compressive strength up to a threshold of 25% by volume proportion. It appeared that the Young's modulus decreases with the evolution of the volume fraction and that its greatest value is obtained when the volume fraction is 25%. Multi-scale modelling for the prediction of the elastic behaviour of the banco composite was carried out in this work, through the analytical models of Mori-Tanaka, Hashin-Strikman, the bounds of Voigt and Reuss. A numerical study was made using the Digimat software, of which the finite element module and the MF semianalytical module were used. The study of the behaviour of the material was carried out only in elasticity. Using these models, we were able to go back to the intrinsic properties of the constituents of the composite (the elastic properties of rice straws and the clay matrix, the aspect ratio of rice straws, the geometric orientation of inclusions, the volume fraction of inclusions). We have noticed that the Mori-Tanaka models and the Digimat MF model best predict the elastic behaviour of the clay-rice straw composite.; Avec l’évolution de l’humanité il est proposé des constructions modernes à base de matériaux conventionnels. Ceci n’est pas sans conséquence car de nos jours le secteur de la construction est le premier consommateur d’énergie et le deuxième émetteur de CO2 dans le monde. Ceci à un impact significatif sur le climat de la planète. Il s’avère donc indispensable de nos jours de mettre au point des matériaux qui respectent au mieux l’environnement à travers leur faible pouvoir d’émission de gaz à effet de serre et qui consomment peu d’énergie. C’est dans cette démarche que s’inscrit le présent travail de recherche qui contribuera au développement des matériaux écologiques pour la construction. Il s’intéresse à l’étude des propriétés élastiques d’un composite à matrice argileuse, renforcé avec des pailles végétales de riz. Au regard des résultats obtenus, il est montré que ce matériau utilisé de façon traditionnelle en milieu rural possède des caractéristiques intéressantes, qui constituent des raisons de sa vulgarisation auprès des constructeurs. Les essais expérimentaux en liaison avec l’étude microstructurale a permis de mieux maitriser non seulement la répartition des fibres dans la matrice, mais aussi de définir la formulation optimale du composite. La variation de la fraction volumique des pailles, nous permet de mettre en évidence l’influence des pailles sur le matériau terre. Les pailles jouent le rôle des armatures dans le matériau composite argile-pailles de riz (banco). Elles améliorent la résistance en traction et en compression jusqu’à un seuil de 25% de proportion volumique. Il est apparu que le module de Young baisse avec l’évolution de la fraction volumique et que sa plus grande valeur est obtenue lorsque la fraction volumique est de 25%. La modélisation multi-échelle en vue de la prédiction du comportement élastique du composite banco a été réalisée dans ce travail, à travers les modèles analytiques de Mori-Tanaka, Hashin-Strikman, les bornes de Voigt et Reuss. Une étude numérique a été faite à l’aide du logiciel Digimat dont le module éléments finis FE et le module semi-analytique MF ont été utilisés. L’étude du comportement du matériau a été menée uniquement en élasticité. A l’aide de ces modèles, nous avons pu remonter aux propriétés intrinsèques des constituants du composite (les propriétés élastiques des pailles de riz et de la matrice argileuse, l’aspect ratio des pailles de riz, l’orientation géométrique des inclusions végétales, la fraction volumique des inclusions). Nous avons remarqué que les modèles de Mori-Tanaka et le modèle Digimat MF prédisent au mieux le comportement élastique du composite argile-pailles de riz.

International audience; La modélisation micromécanique se réfère à la description physique du matériau et de son évolution sous chargement. C’est une méthode déductive qui considère différentes échelles pour prédire le comportement macroscopique du matériau, nécessitant donc l’application de techniques de changement d’échelles [1]. Nous proposons de développer un modèle permettant de prédire le comportement viscoplastique des métaux et alliages à structure CFC, en se basant sur la description des mécanismes de déformation à température ambiante. Deux populations de dislocations mobiles sont considérées par système de glissement : des dislocations vis et coins. Lors de la déformation plastique, ces dislocations peuvent se multiplier, s’annihiler ou même se combiner, en formant des dipôles. La production des dipôles-coins, considérés comme immobiles, est aussi introduite. Les dipôles peuvent aussi être annihilés lors de la déformation [2]. Enfin, les dislocations interagissent avec d'autres dislocations, conduisant à un durcissement du matériau [3]. Un modèle d’homogénéisation auto-cohérent est enfin appliqué. Il utilise une loi de localisation élasto-viscoplastique additive et a été précédemment validé grâce à des nombreux calculs par éléments-finis [4]. Dans le cadre d’une application aux aciers 316L/316L(N), des courbes de tractions monocristalline expérimentales et des données issues de la dynamique des dislocations discrètes sont utilisés pour évaluer de nombreux paramètres d’entrée et leurs incertitudes, d’où un nombre réduit de paramètres restant à ajuster : les paramètres viscoplastiques de la loi d’écoulement cristalline, le volume et l’énergie d’activation. Ces deux paramètres sont ajustés en utilisant des courbes de traction de polycristaux à différentes vitesses de chargement et températures. Les prédictions du modèle sont en bon accord avec des nombreux résultats expérimentaux obtenus sur des alliages d’acier 316L(N). Les comparaisons entre courbes calculées et expérimentales montrent que le modèle réulte dans une description convenable du comportement monotone en traction et relaxation. La forme des boucles d’hystérésis, le durcissement cyclique et la courbe de consolidation cyclique sont également bien prédits dans un intervalle de déformation cyclique entre ±0,1% et ±0,8%, sous différentes vitesses de chargement. De plus, le modèle prédit bien le comportement sous chargement en déformation cyclique biaxial et en traction-torsion.

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

This study focuses on the use of cellulose nanofibrils (NFCs) as bio-based nano-reinforcement in polymer composites and foams. These renewable materials can be used in place of traditional materials such as for instance to produce sandwich panels. This experi-mental, theoretical and numerical work aims at optimizing the processing of these NFC-based materials as well as their use properties.In the first part of this work, the rheology of concentrated NFC suspensions, that behave as thixotropic yield stress fluids, is investigated at macro- and mesoscales using an original rheo-ultrasonic velocimetry (rheo-USV) setup allowing the local flow kinematic to be obtai-ned. We show that the flow of NFC suspensions is highly heterogeneous and exhibits com-plex situations with the coexistence of wall slippage, multiple shear bands and plug-like flow bands. Using this experimental database, we develop an original multiscale rheological model for the prediction of the rheology of NFC suspensions. The model takes into account the anisotropic fibrous nature of NFC networks as well as colloidal and mechanical interaction forces occurring at the nanoscale. The model predictions prove that colloidal and hydrody-namic interaction forces together with the orientation and the wavy nature of NFCs play a major role on the yield stress and shear thinning behaviour of the suspensions.In the second part of this work, NFC-reinforced polymer nanocomposite films are processed for a wide range of NFC contents. Using advanced microscopy techniques (AFM, SEM), X-ray diffraction and mechanical tests (tensile and DMA tests), we show (i) that NFCs form highly connected nanofibrous structures with in-plane random orientation, (ii) that these connected NFC networks play a leading role on the mechanical behaviour of the nanocompo-sites and (iii) that the elastic properties of nanocomposite films are much lower than those predicted from the micromechanical models of the literature. In light of these observations, we propose an alternative multiscale model in which the main involved deformation nano-mechanisms are those occurring both in the amorphous segments of the nanofibers and in the numerous nanofiber-nanofiber contact zones.Finally, in a third part we focus on the influence of the processing conditions, the suspension type and the NFC concentration on the microstructure (using X-ray synchrotron microto-mography), the mechanical properties (using compression tests) and the deformation micro-mechanisms (using in situ compression test with X-ray microtomography) of various foams prepared from NFC suspensions by freeze-drying., Ce travail porte sur l'incorporation de nanorenforts biosourcés, c'est-à-dire des nanofibrilles de cellulose (NFC), dans les matériaux composites à matrice polymère et les mousses. Ces nouveaux matériaux biosourcés peuvent par exemple être utilisés pour la conception de structures sandwich. L'étude à caractère expérimental, théorique et numérique s'articule autour de trois axes visant à optimiser tant les procédés d'élaboration que les propriétés en service de ces matériaux.Dans un premier temps, la rhéologie des suspensions concentrées de NFC, fluides à seuil thixotropes, a été étudiée aux échelles macro- et mésoscopiques en utilisant un dispositif original de rhéométrie couplé à des mesures de champs cinématiques par vélocimétrie ultra-sonore. Nous montrons ainsi que l'écoulement des suspensions de NFC est fortement hétéro-gène et présente des glissements aux parois, de multiples bandes de cisaillement couplés avec des écoulements de type « bouchon ». Sur la base de cette étude, un modèle rhéolo-gique multi-échelles est proposé. Ce modèle tient compte d'une part de l'architecture aniso-trope des réseaux connectés de NFC dans ces suspensions, et d'autre part des interactions mécaniques et physico-chimiques aux échelles nanométriques. Il permet de montrer que les interactions colloïdales et hydrodynamiques, ainsi que la tortuosité et l'orientation des NFC jouent un rôle majeur sur la contrainte seuil et sur le comportement rhéofluidifiant de ces suspensions.Dans un deuxième temps, des nanocomposites à matrice polymère ont été élaborés sous forme de films en faisant varier sur une très grande plage la fraction volumique de NFC. En utilisant d'une part des techniques de microscopie (AFM, MEB) et de diffraction aux rayons X, et d'autre part des essais mécaniques (traction, DMA) nous montrons (i) que les NFC ont une orientation plane et s'organisent en réseaux connectés par des liaisons hydro-gènes, (ii) que ces réseaux jouent un rôle majeur sur le comportement mécanique des nano-composites et (iii) que le comportement élastique des nanocomposites est bien en deçà des prévisions données par les modèles micromécaniques de la littérature. De là, nous proposons un modèle multi-échelles alternatif où les principaux nano-mécanismes de déformation sont ceux se produisant dans les parties amorphes des NFC et au niveau des très nombreuses interfaces entre NFC.Enfin, nous avons étudié l'influence des conditions d'élaboration, de la nature et de la con-centration des NFC sur les microstructures (microtomographie synchrotron à rayons X), les propriétés mécaniques (essais de compression) et les micro-mécanismes de déformation (essai in situ en microtomographie) de mousses préparées par cryodessiccation de suspensions aqueuses de NFC.

Le phénomène mécanique appelé TRIP (Transformation Induced Plasticity), correspondant à une déformation permanente induite par une transformation de phase, peut apparaître lors d’une transformation sous chargement extérieur comme lorsque la phase parente a été pré-écrouie. Le TRIP peut apparaître en particulier pendant des opérations de soudage d’aciers, lors de la ou des étapes de refroidissement. Le modèle le plus courant qui permet de tenir compte d'un pré-écrouissage de l'austénite pour prédire le développement de TRIP (modèle de Leblond) s'est montré imparfait pour reproduire les résultats expérimentaux dans le cas d’une phase parente pré-écrouie, d’après ce qu’ont montré Taleb et Petit-Grostabussiat. Ceci a donc motivé le développement de méthodes alternatives, à savoir par éléments finis, pour tenter de mieux rendre compte par modélisation de ces effets de pré-écrouissage. Cet article présente les investigations numériques concernant la transformation bainitique d’un macrovolume cubique dans le cas idéalisé où un seul germe est présent au centre du volume d’étude (ceci constitue un cas test), ainsi que dans le cas où des germes apparaissent aléatoirement dans l’espace et dans le temps selon une loi de distribution donnée.Mots clés: Plasticité induite par transformation; modélisation micromécanique; transformation diffusionnelle; éléments finis. The mechanical phenomenon called TRIP (Transformation Induced Plasticity), corresponding to a permanent strain induced by a phase transformation, can be due to an externally applied load or to a pre-hardening of the parent phase. TRIP can appear particularly during a welding operation on steels, during the cooling step(s). The most currently used model which allows to take into account the pre-hardening of austenite for the prediction of TRIP (Leblond model) has shown to be incorrect to reproduce the experimental results in the case of a pre-hardened austenite, according to the work of Taleb and Petit-Grostabussiat. This has motivated the development of alternative methods, with finite elements analysis, to try to improve the prediction of this effect of pre-hardening. This article presents the numerical investigations concerning the bainitic transformation of a cubic macro-volume. Two cases are treated: the ideal case where a single nucleus is present at the center of the volume (test case); the case where nuclei appear randomly in space and in time, according to a given distribution law.Keywords: Transformation induced plasticity; micromechanical modelling; diffusive transformation; finite elements.

Durant ces dernières décennies les matériaux composites organiques ont subi un très grand essor dans le domaine des structures aéronautiques. Leur principal avantage est d’alléger les structures tout en gardant de bonnes propriétés mécaniques. De plus, leur microstructure leur permet d’avoir un caractère multi-fonctionnel, ce qui facilite leur intégration pour remplacer les technologies existantes. Dans l’industrie aéronautique, il existe un besoin croissant de grande quantité de petite et moyenne pièces (clips, éléments de jonctions). Cependant, il est aujourd’hui difficile de fabriquer en série des pièces ayant des formes tridimensionnelles complexes par des procédés conventionnels (autoclave). Ainsi, l’orientation envisagée est d’utiliser les procédés de la « famille » automobile pour des applications aéronautiques « semi-structurales », comme le moulage par injection de composites thermoplastiques renforcés de fibres courtes. Cette application nécessite une maîtrise et une fiabilisation du procédé ainsi que des propriétés induites. Ceci a été réalisé par l’identification et la quantification des effets des paramètres qui influent significativement sur la microstructure et les propriétés macroscopiques, par un plan d’expériences. De plus, le dimensionnement de telles pièces requiert une modélisation robuste du comportement mécanique pour prédire au mieux leur capacité d’utilisation. Les données sur la microstructure ont permis d’alimenter un modèle micromécanique comportant un critère d’endommagement de l’interface fibre/matrice. Développé sur un code éléments finis industriel, il a permis de prédire les résultats expérimentaux d’une pièce industrielle. During the last decades, organic composite materials have undergone great development in the field of aeronautical structures. Their main avantage is to reduce the structures weight while maintaining good mechanical properties. In addition, their microstructure allows them to have a multi-fuctional nature, which facilitates their integration to replace existing technologies. In the aviation industry, there is a growing need for large amount of small and medium parts (clips, connecting elements). However, nowadays it is difficult to produce parts with complex by conventional methods dimensional shapes (autoclave). Thus, the considered path is tu use methods of the automotive “family” for “semi-structual” aerospace applications such as injection-moulding of thermoplastic composites reinforced by short fibres. This application requires a mastery and reliability of the process and the induced properties. This was achieved by the identification and quantification of the parameters effects that significantly influence the microstructure and macroscopic properties, by a design of experiments. Moreover, the dimensioning of such parts requires a robust mechanical behabior modelling to predict the best use of their capacity. The data on the microstructure enable to feed a micromechanical model featuring damage criteria of the fiber/matrics interface. Developed on a industrial finite element code, it was used to predict the experimental results of an industrial part.

Flip chip technology is increasingly prevalent in electronics assembly [threedimensional (3D) system in package] and is mainly used at fine pitch for manufacture of megapixel large focal-plane detector arrays. To estimate the reliability of these assemblies, numerical simulations based on finite-element methods appear to be the cheapest approach. However, very large assemblies contain more than one million solder bumps, and the optimization process of such structures through numerical simulations turns out to be a very time-consuming task. In many applications, the interconnection layer of such flip-chip assemblies consists of solder bumps embedded in epoxy filler. For such configurations, we propose an alternative approach, which consists in replacing this heterogeneous interconnection layer by a homogeneous equivalent material (HEM). A micromechanical model for the estimation of its equivalent thermoelastic properties has been developed. The constitutive law of the HEM obtained was then implemented in finite-element software (Abaqus®). Elastic properties of materials that compose the assembly were found in literature and by using mechanical characterization method especially nano-indentation. Thermomechanical responses of tested assemblies submitted to loads corresponding to manufacturing conditions have been analyzed. The homogenization-localization process allowed estimation of the mean values of stresses and strains in each phase of the interconnection layer. To access more precisely to the stress and strain fields in these phases, two models of structural zoom (model coupling and submodeling), taking into account the real solder bump geometry, have been tested. The local stress and strain fields obtained corroborate the experimentally damage initiation of the solder bumps observed, La technologie flip chip est de plus en plus répandue dans l'industrie électronique [trois dimensions (3D) System in Package] et est principalement utilisée pour la fabrication de réseaux détecteurs de grand format (mégapixels) et faible pas. Pour étudier la fiabilité de ces assemblages, des simulations numériques basées sur des méthodes d'éléments finis semblent être l'approche la moins chère. Cependant, de très grands assemblages contiennent plus d'un million de billes de brasure, et le processus d'optimisation de ces structures par des simulations numériques se révèle être une tâche très fastidieuse. Dans de nombreuses applications, la couche d'interconnexion de tels assemblages flip chip se compose de microbilles de brasure noyées dans de l'époxy. Pour ces configurations, nous proposons une approche alternative, qui consiste à remplacer cette couche d'interconnexion hétérogène par un matériau homogène équivalent (MHE). Un modèle micromécanique pour l'estimation de ses propriétés thermoélastiques équivalentes a été mis au point. La loi de comportement obtenue pour le MHE a ensuite été implémentée dans le logiciel par éléments finis (Abaqus®). Les propriétés élastiques des matériaux de l'assemblage sont définies par la littérature et également déterminées expérimentalement par une méthode de caractérisation mécanique : la nano-indentation. Les réponses thermomécaniques des assemblages testés soumis à des chargements correspondant aux conditions de fabrication ont été analysées. La technique d'homogénéisation-localisation a permis d'estimer les valeurs moyennes des contraintes et des déformations dans chaque phase de la couche d'interconnexion. Pour accéder plus précisément aux champs de contraintes et déformations dans ces phases, deux modèles de zoom structurel (couplage de modèles et submodeling), en tenant compte de la géométrie réelle de la bille de brasure, ont été testés. Les champs de contrainte et de déformation locaux obtenus corroborent avec les initiations de dommage observées expérimentalement sur les billes de brasure

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Du fait de leur constitution et/ou de leur mode de sollicitation, un grand nombre de matériaux composites sont affectés par des processus d’endommagements fragiles associés au développement de surfaces de décohésion à l’échelle microscopique (en particulier au sein de la matrice et aux interfaces entre renforts et matrice). La modélisation de l’endommagement par microfissuration se heurte généralement à la difficulté de représenter simultanément l’anisotropie induite par le caractère orienté des défauts considérés ainsi les phénomènes de dégradation-restauration des propriétés élastiques selon l’état d’ouverture ou de fermeture de ceux-ci (effets unilatéraux) [1-2]. Dans le contexte spécifique des composites stratifiés, cette question s’avère d’autant plus complexe compte tenu du couplage de ces deux aspects avec l’anisotropie initiale des matériaux. Ce travail vise à présenter une nouvelle approche pour la modélisation de ces phénomènes. La formulation micromécanique proposée s’appuie sur une homogénéisation bidimensionnelle de milieux orthotropes fissurés. Inspirée par les travaux d’Andrieux et al. [3], cette démarche permet la prise en compte de défauts d’orientation arbitraire pouvant être ouverts ou fermés au sein d’une formulation énergétique en déformation [4]. Sur cette base, un modèle de comportement est ensuite développé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles avec variables internes. En particulier, le cadre standard est retenu pour la formulation de la loi d’évolution des dommages. Des simulations numériques permettent de démontrer les capacités prédictives de la formulation, en particulier la représentation du comportement non linéaire des matériaux, l’interaction entre les anisotropies initiale et induite et la restitution des propriétés élastiques lors de la fermeture des défauts. [1] J.-L. Chaboche, Int. J. Damage Mech., 1:148-171, 1992. [2] F. Cormery, H. Welemane, Mech. Res. Comm., 29:391-395, 2002. [3] S. Andrieux, Y. Bamberger, J.J. Marigo, J. Méca. Théor. Appl., 5: 471-513, 1986. [4] C. Goidescu, H. Welemane, D. Kondo, C. Gruescu, Eur. J. Mech. A/Solids, 37:172-184, 2013

Biocompatible metastable β-titanium alloys have attracted much attention for biomedical applications in recent years thanks to their superelastic and/or shape memory behavior, their superior corrosion resistance and their excellent cold workability. In this present study, a superelastic Ti-26Nb alloy and a shape memory Ti-24Nb alloy were produced by the cold crucible levitation melting method. A detailed microstructural and mechanical characterization were performed. The deformation mechanisms occurring during uniaxial deformation were identified for these two alloys by coupling in situ tensile testing with X-ray diffraction measurement. An optimization route based on nanostructuring process was developed in order to enhance both strength and superelasticity while keeping a low elastic modulus. These properties are required to improve the load transfer along the bone/implant interface which is essential to the success of implants. The microstructural evolution during the thermomechanical process resulting in the optimization of properties was investigated through tensile tests, X-ray diffraction and transmission electron microcopy. The last part of this study deals with an introduction of micromechanical modeling of the Ti-26Nb behavior. The crystallographic features of the martensitic transformation were determined by applying the Ball and James theory. The influence of the crystallographic orientation on the mechanical response was investigated for tension and compression.; Les alliages de titane β-métastables biocompatibles suscitent un intérêt croissant pour les applications médicales grâce à leur comportement superélastique et/ou effet mémoire de forme, leur excellente résistance à la corrosion et leur bonne aptitude à la déformation à froid. Dans le cadre de cette thèse, un alliage superélastique Ti-26Nb et un alliage à mémoire de forme Ti-24Nb ont été élaborés en creuset froid en semi-lévitation magnétique et ont fait l'objet d'une caractérisation approfondie sur le plan microstructural et mécanique. Les mécanismes de déformation activés lors d'une sollicitation mécanique ont été identifiés pour les deux alliages au moyen d'essais de traction couplés à des mesures in-situ en diffraction des rayons X. Une procédure d'optimisation basée sur des traitements thermo-mécaniques nano-structurants a été développée pour augmenter simultanément la résistance mécanique et la superélasticité tout en conservant un bas module élastique. Un ensemble de propriétés qui conditionne la réussite de la pose d'implant en améliorant la qualité de transfert des contraintes à l'interface os/implant. Les évolutions microstructurales à l'origine de l'optimisation de ces propriétés ont été étudiées par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission et essais mécaniques. Ce travail se conclut par une introduction à la modélisation micromécanique du comportement du Ti-26Nb. Les caractéristiques cristallographiques de la transformation martensitique ont été déterminées en se basant sur la théorie de Ball et James. L'influence de l'orientation cristallographique sur le comportement mécanique des monocristaux a été étudiée.

Biocompatible metastable β-titanium alloys have attracted much attention for biomedical applications in recent years thanks to their superelastic and/or shape memory behavior, their superior corrosion resistance and their excellent cold workability. In this present study, a superelastic Ti-26Nb alloy and a shape memory Ti-24Nb alloy were produced by the cold crucible levitation melting method. A detailed microstructural and mechanical characterization were performed. The deformation mechanisms occurring during uniaxial deformation were identified for these two alloys by coupling in situ tensile testing with X-ray diffraction measurement. An optimization route based on nanostructuring process was developed in order to enhance both strength and superelasticity while keeping a low elastic modulus. These properties are required to improve the load transfer along the bone/implant interface which is essential to the success of implants. The microstructural evolution during the thermomechanical process resulting in the optimization of properties was investigated through tensile tests, X-ray diffraction and transmission electron microcopy. The last part of this study deals with an introduction of micromechanical modeling of the Ti-26Nb behavior. The crystallographic features of the martensitic transformation were determined by applying the Ball and James theory. The influence of the crystallographic orientation on the mechanical response was investigated for tension and compression.; Les alliages de titane β-métastables biocompatibles suscitent un intérêt croissant pour les applications médicales grâce à leur comportement superélastique et/ou effet mémoire de forme, leur excellente résistance à la corrosion et leur bonne aptitude à la déformation à froid. Dans le cadre de cette thèse, un alliage superélastique Ti-26Nb et un alliage à mémoire de forme Ti-24Nb ont été élaborés en creuset froid en semi-lévitation magnétique et ont fait l'objet d'une caractérisation approfondie sur le plan microstructural et mécanique. Les mécanismes de déformation activés lors d'une sollicitation mécanique ont été identifiés pour les deux alliages au moyen d'essais de traction couplés à des mesures in-situ en diffraction des rayons X. Une procédure d'optimisation basée sur des traitements thermo-mécaniques nano-structurants a été développée pour augmenter simultanément la résistance mécanique et la superélasticité tout en conservant un bas module élastique. Un ensemble de propriétés qui conditionne la réussite de la pose d'implant en améliorant la qualité de transfert des contraintes à l'interface os/implant. Les évolutions microstructurales à l'origine de l'optimisation de ces propriétés ont été étudiées par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission et essais mécaniques. Ce travail se conclut par une introduction à la modélisation micromécanique du comportement du Ti-26Nb. Les caractéristiques cristallographiques de la transformation martensitique ont été déterminées en se basant sur la théorie de Ball et James. L'influence de l'orientation cristallographique sur le comportement mécanique des monocristaux a été étudiée.

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.

International audience; Cette étude présente les capacités d’une modélisation de la nitruration, procédé thermochimique destiné à améliorer la tenue en service des pièces mécaniques. La formation d’un gradient de microstructure accompagne d’une variation de volume génère un gradient de contraintes résiduelles. Le mode le se base sur une étape de diffusion/précipitation décrivant les évolutions thermochimiques lors du traitement. Une description micromécanique multi-échelles permet de déterminer la distribution des contraintes résiduelles accompagnant le gradient de microstructure via la formation de nitrures. Les simulations sont confrontées à des analyses de contraintes par diffraction des rayons X.

Due to their high consumption, the vulcanized elastomeric products are an important source of waste. One way of recycling these materials is their reuse under the form of particles in polymer matrix composites to reduce stiffness and increase their resistance to low-energy impacts. This study is born of a collaboration between the LIMATB and the Technische Universität Chemnitz, which develops this concept of materials.The aim of this study is to conduct experimental characterization and to develop a micromechanical model of thermoplastic elastomer (TPE). These materials are made of an isotactic polypropylene homopolymer (PP) and of rubber waste particles, based on ethylene propylene diene monomer (EPDM). The complex nature of the PP prompted us to develop a micromechanical model in which the crystalline and the amorphous phases are distinguished. Using linear elasticity behaviour at different crystalline contents, a generalized self-consistent model is developed. This approach is extended for elastoviscoplastic behaviour, and compared to an other model, using a simple macroscopic approch. In the case of TPE, a micromechanical model has also been used to optimize the properties of these materials. The law behavior of TPE is built through the mechanical behavior of EPDM particles and using the macroscopic law determined for the PP. The predictions of all the models are analyzed and compared with the results of tensile tests, fluxural and indentation test. All the models developed have been implemented in the Abaqus finite element code to allow the calculation of industrial products., De part leur grande consommation, les pièces en élastomère vulcanisé sont une source importante de déchets. Une des voies de revalorisation de ces matériaux est leur réutilisation sous forme de particules dans des composites à matrice polymère, afin de diminuer leur rigidité et d'augmenter leur résistance aux chocs de faible énergie. Cette étude est ainsi née d'une collaboration entre le LIMATB et la Technische Universität Chemnitz, qui développe ce concept de matériaux.L'objectif de cette étude est la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique de composites thermoplastiques élastomères (TPE). Ces matériaux sont composés d'une matrice en homopolymère polypropylène isotactique (PP) et de particules d'élastomère recyclées à base d'éthylène propylène diène monomère (EPDM). La nature complexe du PP nous a incité à développer un modèle micromécanique, en distinguant dans ce polymère une phase amorphe et une phase cristalline. A partir d'un motif représentatif permettant d'estimer les propriétés élastiques du PP en fonction du taux de cristallinité, un modèle micromécanique de type autocohérent généralisé est comparé à un modèle macroscopique plus simple pour décrire son comportement élastoviscoplastique. La loi de comportement des TPE est construite, via une démarche d'homogénéisation, à partir du comportement mécanique des particules d'EPDM et de la loi macroscopique déterminée pour le PP. Les prévisions des modèles sont analysées et comparées aux résultats d'essais de flexion, de traction et d'indentation. Les modèles développés ont été implantés dans le code « éléments finis » Abaqus afin de permettre le calcul de pièces industrielles.

The general principles underlying the processing of high strength, and ductile, metallic materials have been understood since the beginning of the development of dislocation theory. If ductility necessitates a reasonable mobility of dislocations, strengthening is related to the building of obstacles restricting their propagation. Within this framework the present work focuses on the effect of grain size. To this end, due to their versatility, powder metallurgy routes such as HIP and SPS have been used to process a wide range of Nickel based microstructures, whose effects on the macroscopic behavior has been studied by quasi static compression tests at room temperature. In parallel, since the grain size alone neither defines the microstructure nor characterizes the mechanical behavior of metallic polycrystals, we have developed a micromechanical model that is based on a generalized self-consistent approach to shed light on the effect of microstructural parameters such as the grain size and its statistical distribution on the macroscopic behavior., Les principes de base de l'élaboration des matériaux présentant de bonnes propriétés mécaniques sont connus depuis que la théorie des dislocations fut développée. Si la ductilité nécessite une mobilité raisonnable des dislocations, la résistance mécanique est, elle, liée à la présence des obstacles qui limitent le mouvement des dislocations. Parmi les différentes méthodes pour introduire ces obstacles l'affinage de la taille des grains a une contribution importante. Cependant, les propriétés mécaniques d'un agrégat polycristallin ne dépendent pas uniquement de la taille moyenne des grains mais aussi de la dispersion des tailles de grains dans le matériau. La métallurgie des poudres est une technologie versatile pour élaborer des microstructures “à la demande”. Dans ce cadre, nous avons utilisé la compaction isostatique à chaud (CIC) et le frittage flash (SPS) pour générer à partir de (nano)poudres de nickel pur, différents microstructures afin d'en étudier les influences sur le comportement mécanique macroscopique. En parallèle, nous avons, dans le cadre d'une modélisation micromécanique selon un schéma auto cohérent généralisé, modélisé le comportement macroscopique tenant compte des fraction volumiques des phases constituantes (grains, joints de grains) ainsi que leurs dispersions statistiques.

Anti-vibrating parts in automotives are often made of natural rubber reinforced by carbon black. This reinforcement, which comes from the filler–filler and filler–rubber interactions, leads to an increase of the elastic modulus, the tensile strength and the hysteresis. The aim of this work is to develop a model within a generalized self-consistent scheme for filled rubber to predict the elastic moduli. A morphological pattern, which takes into account the occluded rubber, the bound rubber and a percolating network, is proposed and the effective elastic properties are compared with experimental results obtained in both uniaxial and oedometric compression. The filler volume fraction varies in-between 0% and 18% and the influence of the specific surface of the filler is investigated, by using N330 and N650 carbon blacks, La motivation de cette étude est de développer un modèle de comportement micromécanique d'élastomères constitués d'une matrice de caoutchouc naturel chargée de noir de carbone, dans le domaine des déformations modérées. L'objectif est de pouvoir prendre en compte la fraction volumique et la surface spécifique du noir de carbone et d'intégrer la loi de comportement dans un code éléments finis industriel. Les élastomères chargés sont considérés dans cette étude comme des matériaux hétérogènes et une approche micromécanique est retenue.On se propose d'introduire les relations entre la microstructure et les propriétés mécaniques des élastomères chargés au travers d'une étude bibliographique consacrée aux matériaux. La caractérisation des mélanges a montré que la présence du noir de carbone complexifie la microstructure. Une certaine quantité de gomme est occluse dans les agrégats de noirde carbone et une autre liée sur les charges renforçantes qui dépend de la surface spécifique du noir de carbone. De plus, un réseau percolant peut apparaître lorsque la distance entre les agrégats devient critique. La caractérisation mécanique montre que le noir de carbone modifie le comportement global du matériau.La raideur, l'hystérésis, la viscosité ainsi que la déformation rémanente augmentent en fonction de la fraction volumique et de la surface spécifique de la charge renforçante. On constate que l'effet Payne et la rigidification dynamique sont d'autant plus importants que la fraction volumique et que la surface spécifique du noir de carbone sont élevées. L'approche micromécanique est abordée au travers d'une seconde étude bibliographique. Les outils nécessaires pour modéliser le comportement des matériaux hétérogènes sont introduits dans le cadre de l'élasticité linéaire ainsi que quelques méthodes permettant l'extension en non linéaire. Un premier modèle autocohérent généralisé (ACG)à "2+1-phases" est proposé pour modéliser les élastomères chargés. Il s'appuie sur une vision simplifiée de la microstructure supposée être constituée d'une phase de gomme libre plongée dans une phase renforçante. L'intérêt de cette loi de comportement simplifiée est d'avoir un nombre limité de paramètres tout en donnant des résultats intéressants permettant une utilisation industrielle. Un second modèle proposé,"3 phase²" s'appuie sur une description fine de la microstructure en intégrant un nombre plus important de phases. La particularité de ce modèle est de traiter le problème à l'échelle de l'agrégat (0.1 µm) et à celle du réseau percolant (100.0~µm). Les premières simulations obtenues sur les essais quasi-statiques sont encourageantes car les faibles fractions volumiques sont bien décrites et un seul jeu de paramètres est utilisé pour décrire les deux types de noir de carbone. La validation industrielle sur une pièce complexe a permis de comparer les résultats numériques obtenus avec le modèle ACG à "2+1-phases" à ceux obtenus avec une loi de Ogden et également aux résultats expérimentaux. Cette application industrielle a mis en évidence les avantages et les limites de cette loi de comportement.

Reactor Pressure Vessel is the second containment barrier between nuclear fuel and the environment. Electricit'e de France's reactors are made with french 16MND5 low-alloyed steel (equ. ASTM A508 Cl.3). Various experimental techniques (scanning electron microscopy, X-ray diffraction ...) are set up in order to characterize mechanical heterogeneities inside material microstructure during tensile testing at different low temperatures [-150°C;-60°C]. Heterogeneities can be seen as the effect of both "polycritalline" and "composite" microstructural features. Interphase (until 150 MPa in average between ferritic and bainitic macroscopic stress state) and intraphase (until 100 MPa in average between ferritic orientations) stress variations are highlighted. Modelling involves micromechanical description of plastic glide, mean fields models and realistic three-dimensional aggregates, all put together inside a multiscale approach. Calibration is done on macroscopic stress-strain curves at different low temperatures, and modelling reproduces experimental stress heterogeneities. This modelling allows to apply a local micromechanical fracture criterion for crystallographic cleavage. Deterministic computations of time to fracture for different carbides random selection provide a way to express probability of fracture for the elementary volume. Results are in good agreement with hypothesis made by local approach to fracture. Hence, the main difference is that no dependence to loading nor microstructure features is supposed for probability of fracture on the representative volume: this dependence is naturally introduced by modelling., La cuve des réacteurs à eau sous pression forme la seconde barrière de confinement de l'assemblage combustible nucléaire. Dans les centrales françaises, elle est constituée d'acier 16MND5 faiblement allié (équivalent de la nuance ASTM A508 Cl.3). Diverses techniques expérimentales (microscopie électronique, diffraction des rayons X etc.) sont mises en oeuvre lors d'essais de tractions in-situ afin de mettre en évidence les hétérogénéités mécaniques apparaissant au sein du matériau. Ces mesures se font en cours de sollicitation pour diverses basses températures [-150°C;-60°C]. Les hétérogénéités mécaniques sont principalement dues aux deux aspects "polycristallins" et "composite"(effet des amas de cémentite) de la microstructure. Des écarts de contraintes résiduelles interphases (jusqu''a 150 MPa en moyenne entre bainite et ferrite), et intraphases (jusqu''a 100 MPa en moyenne par orientation pour la ferrite) sont mis en évidence. Une modélisation complexe est mise en oeuvre afin de représenter le comportement. Elle inclut une loi micromécanique, un modèle de transition d'échelle, et une représentation par éléments finis d'agrégats 3D, le tout associé dans une démarche multi-échelles. L'identification se fait sur le comportement à différentes températures, et permet de reproduire les hétérogénéités de contraintes mises en évidence expérimentalement. Cette modélisation sert de base à l'application déterministe d'un critère local de rupture fragile micromécanique et cristallographique. L'utilisation de divers tirages de répartitions de carbures réalistes permet d'obtenir une probabilité de rupture du volume élémentaire en accord avec les hypothèses formulées par l'approche locale de la rupture. A ceci près que contrairement aux approches habituelles, on ne suppose pas de dépendance de cette probabilité par rapport au chargement ou à la microstructure, celle-ci est naturellement introduite.

Reactor Pressure Vessel is the second containment barrier between nuclear fuel and the environment. Electricit'e de France's reactors are made with french 16MND5 low-alloyed steel (equ. ASTM A508 Cl.3). Various experimental techniques (scanning electron microscopy, X-ray diffraction ...) are set up in order to characterize mechanical heterogeneities inside material microstructure during tensile testing at different low temperatures [-150°C;-60°C]. Heterogeneities can be seen as the effect of both "polycritalline" and "composite" microstructural features. Interphase (until 150 MPa in average between ferritic and bainitic macroscopic stress state) and intraphase (until 100 MPa in average between ferritic orientations) stress variations are highlighted. Modelling involves micromechanical description of plastic glide, mean fields models and realistic three-dimensional aggregates, all put together inside a multiscale approach. Calibration is done on macroscopic stress-strain curves at different low temperatures, and modelling reproduces experimental stress heterogeneities. This modelling allows to apply a local micromechanical fracture criterion for crystallographic cleavage. Deterministic computations of time to fracture for different carbides random selection provide a way to express probability of fracture for the elementary volume. Results are in good agreement with hypothesis made by local approach to fracture. Hence, the main difference is that no dependence to loading nor microstructure features is supposed for probability of fracture on the representative volume: this dependence is naturally introduced by modelling.; La cuve des réacteurs à eau sous pression forme la seconde barrière de confinement de l'assemblage combustible nucléaire. Dans les centrales françaises, elle est constituée d'acier 16MND5 faiblement allié (équivalent de la nuance ASTM A508 Cl.3). Diverses techniques expérimentales (microscopie électronique, diffraction des rayons X etc.) sont mises en oeuvre lors d'essais de tractions in-situ afin de mettre en évidence les hétérogénéités mécaniques apparaissant au sein du matériau. Ces mesures se font en cours de sollicitation pour diverses basses températures [-150°C;-60°C]. Les hétérogénéités mécaniques sont principalement dues aux deux aspects "polycristallins" et "composite"(effet des amas de cémentite) de la microstructure. Des écarts de contraintes résiduelles interphases (jusqu''a 150 MPa en moyenne entre bainite et ferrite), et intraphases (jusqu''a 100 MPa en moyenne par orientation pour la ferrite) sont mis en évidence. Une modélisation complexe est mise en oeuvre afin de représenter le comportement. Elle inclut une loi micromécanique, un modèle de transition d'échelle, et une représentation par éléments finis d'agrégats 3D, le tout associé dans une démarche multi-échelles. L'identification se fait sur le comportement à différentes températures, et permet de reproduire les hétérogénéités de contraintes mises en évidence expérimentalement. Cette modélisation sert de base à l'application déterministe d'un critère local de rupture fragile micromécanique et cristallographique. L'utilisation de divers tirages de répartitions de carbures réalistes permet d'obtenir une probabilité de rupture du volume élémentaire en accord avec les hypothèses formulées par l'approche locale de la rupture. A ceci près que contrairement aux approches habituelles, on ne suppose pas de dépendance de cette probabilité par rapport au chargement ou à la microstructure, celle-ci est naturellement introduite.

Not available; Nous avons développé une modélisation micromécanique par éléments finis du comportement d'un matériau biphasé en cours d'évolution structurale. Nous étudions un volume représentatif du matériau dans lequel progresse la transformation de phase (caractérisée par une déformation et un changement de propriétés mécaniques). Nous avons tout d'abord modélisé une transformation par diffusion, pour laquelle la déformation résulte ici de l'orientation de l'écoulement plastique par l'état de contrainte local. Les principaux résultats obtenus concernent l'évolution de la plasticité de transformation avec l'avancement de la transformation et avec la contrainte appliquée, que nous avons reliée aux états mécaniques locaux. Nous avons traité ensuite le cas plus complexe d'une transformation martensitique, pour laquelle l'avancement et l'orientation du produit formé dépendent des contraintes internes générées via un critère thermodynamique. La déformation de transformation se compose dans ce cas d'un cisaillement et d'un changement de volume. Les concepts micromécaniques ont été introduits dans un modèle à l'échelle du grain. Les résultats obtenus décrivent les effets d'interaction entre les champs mécaniques locaux et la formation des variants de martensite et la simulation fournit la contribution respective de chacun des deux mécanismes de plasticité de transformation

Not available; Nous avons développé une modélisation micromécanique par éléments finis du comportement d'un matériau biphasé en cours d'évolution structurale. Nous étudions un volume représentatif du matériau dans lequel progresse la transformation de phase (caractérisée par une déformation et un changement de propriétés mécaniques). Nous avons tout d'abord modélisé une transformation par diffusion, pour laquelle la déformation résulte ici de l'orientation de l'écoulement plastique par l'état de contrainte local. Les principaux résultats obtenus concernent l'évolution de la plasticité de transformation avec l'avancement de la transformation et avec la contrainte appliquée, que nous avons reliée aux états mécaniques locaux. Nous avons traité ensuite le cas plus complexe d'une transformation martensitique, pour laquelle l'avancement et l'orientation du produit formé dépendent des contraintes internes générées via un critère thermodynamique. La déformation de transformation se compose dans ce cas d'un cisaillement et d'un changement de volume. Les concepts micromécaniques ont été introduits dans un modèle à l'échelle du grain. Les résultats obtenus décrivent les effets d'interaction entre les champs mécaniques locaux et la formation des variants de martensite et la simulation fournit la contribution respective de chacun des deux mécanismes de plasticité de transformation

This study contributes to our understanding of the damage evolution and fracture behaviour of two-phase materials that combine brittle particles with a ductile matrix. We focus on model composites roughly half-ceramic/half-metal that are produced in-house by infiltrating ceramic powder beds with liquid pure aluminium or aluminium alloy. Like many other materials, these composites exhibit two modes of tensile failure; they fail either by tensile instability, or alternatively they break prematurely, in a brittle fashion. A micromechanical model is established that links damage build-up and composite fracture. This analytical model predicts the tensile curve and the strength of particulate composites that undergo damage in the form of statistical particle fracture. Similarly to models for continuous-fibre reinforced composites, two extreme modes of load sharing (a fully local and a global load sharing mode) are accounted for, which yield a lower and an upper bound for the failure stress. Under local load sharing, the model predicts either of two different failure modes, i.e. brittle failure or failure by the onset of tensile instability, whereas global load sharing induces the latter failure mode only. We show that this model captures the transition from failure by tensile instability to brittle failure that occurs with an increase of matrix strength or with a decrease of particle strength. The local load redistribution upon particle fracture and avalanche-like growth of damage can thus explain the premature brittle failure that is observed in some composites. The direct assessment of the particle strength properties not being possible, these are "back-calculated" using the aforementioned model and tensile tests (with periodic unload-reload cycles to monitor the evolution of Young's modulus) conducted on composites made with different matrices. Using these particle properties, we show in particular that composite strength predicted under the assumption of local load sharing is in good agreement with experiment, and that fracture of particles embedded in a soft matrix is not only governed by the average particle stress, but also by the composite plastic strain. Moreover, tests of axisymmetric notched specimens indicate that damage possibly also depends on stress triaxiality.