Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Caractérisation mécanique multi-Échelle“

Le colloque « Indentation 2021 » du Groupe GIME (Groupe indentation multi-échelle) de la SF2M s’adressait aux universitaires et aux industriels intéressés par les problématiques de la caractérisation mécanique par indentation instrumentée à différentes échelles. Les objectifs de cette série de colloques sont d’échanger sur les récentes avancées de cette technique en termes de développements expérimentaux, de caractérisation de propriétés et de comportement, de gammes de matériaux étudiées, d’analyse des résultats ou de simulation numérique.

La prédiction de l’érosion par surverse des digues de protection contre les crues et des barrages en remblai constitue l’une des difficultés majeures dans l’analyse de la sûreté de ces ouvrages. Bien qu’identifié comme étant le mécanisme de rupture dominant de près de la moitié des ruptures de digues fluviales, les méthodes et outils dont disposent les ingénieurs pour le caractériser, de manière déterministe, restent encore très limités. Notamment, la caractérisation du processus d’érosion, en termes géométriques et temporels, prenant en compte le comportement des matériaux constitutifs du remblai et de sa fondation et les spécificités des sollicitations hydrauliques sur les digues, n’est encore à la portée d’aucun outil de modélisation numérique validé au niveau requis. Les ingénieurs doivent donc, pour l’instant, se contenter d’approches recourant largement à l’empirisme : critères dits « de jugement d’expert » ou formules empiriques. Ces approches très simplifiées sont connues pour présenter de fortes incertitudes et ne pas garantir des résultats systématiquement du côté de la sécurité. C’est dans le but final d’améliorer significativement la robustesse et la précision des outils de prédiction de l’érosion par surverse pour les ingénieurs, qu’EDF et CNR ont décidé de lancer le projet de recherche Overcome. L’objectif de ce projet est d’inclure au sein de la plateforme numérique open source TELEMAC-2D des modules représentant différents types de processus physiques en lien avec les ruptures par surverse de digues, basés sur une approche expérimentale multi-échelles très poussée. Cette communication présente les tous premiers résultats de l’un des premiers sujets investigués par ce projet : la description des mécanismes physiques d’érosion par surverse des remblais constitués de sol grossiers à granulométrie étalés. Ces sols sont présents dans une grande partie des digues situées en zones montagneuses ou dans les vallées situées juste en aval. Une première série d’essais de surverse à petite échelle a été menée au laboratoire de l’Université Polytechnique de Madrid, en réalisant des remblais homogènes de 55 cm de hauteur à partir de trois matériaux différents : un sable assez uniforme, un gravier de granite et un sol alluvionnaire à granulométrie étalée, issu du site CNR de Montfaucon. Si les essais avec le remblai en sable ont confirmé le mécanisme attendu d’érosion de surface, il a été assez surprenant de voir des différences significatives de mécanisme d’érosion entre les matériaux de Montfaucon et graviers de granite. Dans le matériau de Montfaucon, le mécanisme s’apparente à de l’érosion de surface, tandis qu’avec le gravier de granite, le mécanisme d’érosion débute avec du « Headcut migration » puis évolue à la fin en érosion de surface. Par ailleurs, le sol de Montfaucon s’est avéré quatre fois moins érodable que le gravier de granite. Ces premiers résultats appellent à être confirmés par des essais de répétabilité à petite échelle et des essais à plus grande échelle.

La dentine est l’un des principaux éléments constitutifs de la dent humaine. Elle montre une structure hiérarchique. A l’échelle microscopique, la dentine est composée de tubules (porosité naturelle du tissu), de dentine péritubulaire et de dentine intertubulaire.L’organisation de ces structures détermine fortement ses propriétés mécaniques. La connaissance de sa structure, de ses propriétés mécaniques et de ses déformations dues aux variations de l’environnement extérieur peuvent être utiles afin d’améliorer les protocoles de restauration de la dentine. Dans ce travail, quatre techniques d’observation (µCT, microscope optique, ESEM et microscope confocal) ont été explorées et comparées. En particulier, la microscopie confocale a été utilisée afin de visualiser en 3D le réseau poreux dentinaire. Comparée à l’observation 2D, elle permet d’obtenir des informations supplémentaires. Par example, les tubules montrent des structures en arbre plus complexes près de l’email que la forme en Y déduite des observations 2D. Ces résultats peuvent également nous fournir des données d’entréespour une modélisation réaliste prenant en compte la structure poreuse complexe à l’intérieur de la dentine humaine.Par la suite, un test de compression associé à la correlation d’images numérique a été mis en place avec un système qui permet de commander simultanément l’humidité et la température de l’environnement. Grâce à ce dispositif, le module d’élasticité de la dentine humaine a été mesuré (16.7GPa avec un écart-type de 5.1GPa), et le coefficient de Poisson a été estimé à 0.31. Le comportement de dilatation de la dentine humaine avec l’humidité relative a été étudié. La spectroscopie par résonance ultrasonore (RUS) a été utilisée et ses résultats comparés au test de compression mécanique. À échelle microscopique, les propriétés mécaniquesde la dentine péritubulaire et de la dentine intertubulaire ont été caractérisées par nanoindentation. Les deux méthodes utilisées (méthode dynamique CSM et méthode de déchargement statique) indiquent les mêmes tendances en matière de module d’Young pour les deux composantes de la dentine. La dentine péritubulaire a un module d’élasticité plus élevé (26.7GPa avec un écart type de 3.1GPa) que la dentine intertubulaire (16.2GPa avec un écart type de 5.5GPa). De plus, le comportement en fluage de la dentine a été étudié par nanoindentation. Il se trouve qu’un modèle de Maxwell-Voigt à quatre éléments peut être utilisé pour évaluer le comportement en fluage de la dentine.Pour résumer, une étude morphologique et mécanique du tissu dentinaire a été effectuée. De nouvelles techniques, par example, la microscopie confocale ont été utilisées et ont montré leur utilité dans le but de donner un nouvel éclairage sur le tissu dentinaire. Les protocoles d’essais mécaniques qui ont été mis en place à différentes échelles permettront de mieux comprendre la relation structure-propriété en utilisant les outils d’observation validés dans ce travail
Human dentin is one of the main components of human tooth. It shows a hierarchicalstructure from a multi-scale point of view. Generally speaking, dentin can be seen as a hard biomaterial consisting in 3 phases: the porous phase made of tubules, the inclusion phase made of peritubular dentin and the matrix phase made of intertubular dentin. These hierarchical structures strongly determine its mechanical properties. The knowledge of its structure, its mechanical property and its deformation behavior due to the variation of the external environment may be useful to improve the dentin restoration process. In this work, four observation techniques (µCT, optical microscope, ESEM and confocal microscope) have been used and compared. Particularly, confocal microscopy is proposed to allow 3D visualization of the complex dentin porous network. Compared with usual 2D observation tool, it may provide new information. For example, near the DEJ, tubules show a more complex treestructure than the Y-shaped deduced from 2D observations. These findings may also allow to achieve more realistic modeling considering the complex porous structure inside human dentin.Later on, compression test associated with DIC was carried out within an integrated system which can control simultaneously the humidity and the temperature of the environment. Using this system, the elastic modulus of human dentin was measured to be 16.7GPa with a standard deviation of 5.1GPa. And the Poisson’s ratio was found to be 0.31. The dilatation behavior of human dentin due to relative humidity was also explored. Furthermore, resonant ultrasound spectroscopy was performed in order to compare the results with these mechanical testing. At the micro-scale, the mechanical properties of peritubular dentin and intertubular dentin werecharacterized by nanoindentation. The two methods used in this work (dynamic CSM method and the static unload method) present the same trends of elastic moduli for the two components. Peritubular dentin has a higher elastic modulus (26.7GPa with a standard deviation of 3.1GPa) than intertubular dentin(16.2GPa with a standard deviation of 5.5GPa). Besides, the creep behavior of dentin was assessed by nanoindentation. Four elements Maxwell-Voigt model can be used to model dentin’s creep behavior.To sum up, a morphological and mechanical study of the dentinal tissue has been performed. New techniques, such as confocal microscopy have been used and showed their usefulness in order to give new insight into the dentinal tissue. The mechanical testing protocols that have been set up at different scales will enable to better understand the structure-property relationship by using them associated with the observation tools validated in this work

Le développement de systèmes intelligents très efficaces exige des matériaux de conversion de plus en plus performants, que ce soit en termes de stabilité de caractéristiques sous sollicitations ou en termes de coefficients. Les propriétés macroscopiques développées par les matériaux ferroélectriques sont étroitement liées à la mobilité des murs de domaines et donc au basculement des moments dipolaires supportés par l’axe polaire dans chaque maille. Cette thèse traite dans un premier temps de l’élaboration et la caractérisation des céramiques PMN-xPT et des monocristaux PZN-xPT. La caractérisation multi-échelle des matériaux quadratiques (céramiques et monocristaux) qui relie la configuration en domaines du matériau à son comportement macroscopique est étudiée pour comprendre les mécanismes de dépolarisation sous différentes sollicitations (contrainte uniaxiale, température et champ électrique). Le comportement non linéaire et hystérétique sous haut niveau de sollicitations mécaniques et électriques des céramiques piézoélectriques a été modélisé par un modèle construit à partir d’éléments non linéaires. Enfin, l’application des matériaux PZN-12PT est également étudiée. Il s’agit d’une poutre vibrante avec un élément piézoélectrique qui permet de tester et de comparer les deux inserts en termes d’amortissement vibratoire
The development of intelligent systems very efficient requires materials of more conversion preferment, whether in terms of stability characteristics in solicitations or in terms of coefficients. The macroscopic properties developed by ferroelectric materials are closely related to the mobility of domains walls, and therefore the switching of dipole moments aligned along the polar axis in each unit cell. This thesis deals as a first time of the preparation and characterization of PMN-xPT ceramics and single crystals PZN-xPT. The multi-scale characterization of quadratic materials that connects the configuration of domains material to its macroscopic behaviour has been studied to understand the mechanisms of depolarization under different excitations (uniaxial stress, temperature and electric field). The non-linear behaviour and hysteretic for ceramics under high level of mechanical and electrical excitations has been modelled by a model constructed from non-linear elements. Finally, the application of materials PZN-12PT was also studied. The objective of this study is to test and compare ceramic and single crystal shapes in terms of vibration damping

Le mottage, ou agglomération non-désirée, est un phénomène qui dégrade la qualité des poudres, notamment leur coulabilité. Il constitue donc une problématique majeure dans l’industrie. Dans le cas des composés cristallins hydrosolubles, les fluctuations d’humidité ambiante sont responsables de la succession de phénomènes de déliquescence partielle (formation d’une solution saturée) et d’efflorescence (recristallisation avec évaporation de l’eau) entraînant la formation de ponts liquides puis solides. On s’intéresse ici au cas du saccharose, dont la viscosité élevée de la solution saturée rend le phénomène d’efflorescence complexe car régi par la cinétique de séchage. En première partie, les cinétiques de déliquescence et d’efflorescence sont analysées à l’échelle des particules et les mécanismes gouvernant ces phénomènes, résistances au transfert externe ou interne, sont mis en évidence selon les conditions d’humidité. Dans une seconde partie, une étude à l’échelle macroscopique est réalisée grâce à la conception d’un dispositif de mottage permettant l’obtention d’échantillons mottés de façon rapide et homogène dans des conditions contrôlées. Trois tests mécaniques sont comparés grâce à une méthode statistique de régression linéaire locale selon des critères de sensibilité et de répétabilité. Le test de cisaillement a ainsi été sélectionné et a permis de mettre en évidence l’influence de différents facteurs sur le mottage. Par ailleurs, l’étude de l’ajout de trois composés (NaCl, fructose, maltodextrine DE12) au saccharose a montré une sensibilité accrue à l’humidité, un retard de l’efflorescence et une réduction considérable de la résistance mécanique
Caking, or undesired agglomeration, is a phenomenon jeopardizing powders’ quality, in particular their flowability. It is therefore a main issue for industry. In the case of water-soluble crystalline materials, humidity fluctuations cause a series of phenomena, partial deliquescence (formation of a saturated solution) and efflorescence (recrystallization with water evaporation) leading to the formation of liquid then solid bridges. This study focuses on the case of sucrose. Because of the highly viscous saturated solution, the efflorescence phenomenon is governed by the drying kinetics which makes it complex. In the first part, the kinetics of deliquescence and efflorescence were analyzed at the scale of the particles and the governing mechanisms, resistances to external or internal mass transfer, were identified according to the humidity conditions. In a second part, a macroscopic study was conducted. First, a caking device allowing homogeneous caked samples to be quickly obtained in controlled conditions was developed. Three mechanical tests were compared on the basis of sensitivity and repeatability through a statistical method, the local linear regression. The shear test was found to be the best approach and was used to study the influence of several factors on sucrose caking. Besides, the addition of three components (NaCl, fructose, DE12 maltodextrin) to sucrose showed a higher sensitivity to humidity, a delay in efflorescence and a significant decrease of the mechanical resistance

L'utilisation quotidienne d'appareil de coiffure chauffants peut parfois être une souce d'endommagement pour le cheveu. Ce travail de thèse porte sur l'effet d'une sollicitation thermomécanique, appliquée par le frottement des plaques chaudes d'un fer à lisser, sur les propriétés du cheveu humain. En s'appuyant sur une approche expérimentale ainsi que sur le développement de modèles rhéologiques, cette étude a pour objectif une compréhension multi-échelle des effets d'un traitement thermomécanique, du cortex à la cuticule du cheveu. Une forte corrélation a été mise en évidence entre l'évolution de l'architecture du cortex et celle des propriétés mécaniques du cheveu. L'application d'un traitement thermomécanique mène à la désorganisation ou à l'étirement et la réorientation des structures moléculaires et supramoléculaires, selon la température et l'effort de cisaillement appliqués. D'un point de vue mécanique, ces modifications microstructurales provoquent des variations importantes du volume libre et de la mobilité des molécules de kératine au sein du cortex, modifiant ainsi significativement les propriétés visco-élasto-plastiques du cheveu. La mise en évidence du lien entre les évolutions micro- et macroscopiques a permis d'établir des modèles rhéologiques décrivant le comportement mécanique global du cheveu et pour lesquels l'évolution des paramètres rhéologiques suit celle des facteurs architecturaux du cotex. Un traitement thermomécanique a également un effet sur la cuticule, partie perceptible du cheveu. Une analyse multi-résolution a permis de relier l'évolution des différents détails de la surface à des qualités sensorielles, telles que la douceur, la brillance et la fluidité de la chevelure. Au-delà de 170°C, le passage du fer chaud aplatit les petites rugosités de surface, améliorant ainsi la brillance et la douceur qu'elle renvoie. Cependant, le traitement peut transformer la cuticule en une gaine rigide en provoquant la fusion partielle des écailles les unes sur les autres et faire perdre au cheveu sa souplesse. Pour pallier ce dernier effet, un débit de vapeur peut être introduit avant le frottement des plaques chaudes. L'eau va alors jouer le rôle de plastifiant pour permettre d'abaisser la température des plaques nécessaire pour lisser les petites rugosités, tout en préservant les écailles et la structure multicouche de la cuticule
When use on a daily basis, heat appliances can be harmful to human hair. This study deals with the effect of a thermomechanical solicitation, generally applied by the friction of the hot plates of a hair straightener, on the properties of human hair. This work is built on an experimental approach and on the development of rheological models. It aims at understanding the effects on the different levels of the hair's multiscale structure, from the cuticle to the cortex. A strong correlation between the changes of the cortical architecture and of the mechanical properties of hair has been emphasized. A thermomechanical treatment leads to the disorganization or the stretching and reorientation of the molecular and supra-molecular well-organized structure, depending on the temperature and on the shear force applied. From a mechanical point of view, these microstructural modifications create changes in the free volume and in the moving hability of the keratin molecules in the cortex, thus modifying the visco-elasto-plastic properties of the fiber. The link between the micro- and macroscopic changes allows to build rheological models that describe the global hair's mechanical behavior and for which the evolution of the rheological parameters follows the evolution of the architectural factors of the cortex. A thermomechanical treatment has also an effect on the perceptible part of hair, the cuticle. A multiresolution analysis allowed to link the different components of the surface to sensory qualities, such as the brightness, softness and fluidity of hair. For temprature higher than 170°C, the friction of the hot plates flattens the small roughnesses of the surface, improving its brightness and softness. However, it can also lead to the melting of the overlapping scales among each other and hair loses its natural fluidity, due to the loss of the multilayer aspect of the cuticle. To remedy this harmfull effect, a steam flow can be delivered just before the contact of the hot plates against the hair fiber. Water acts like a plasticizer and small roughnesses can be flatten for lower temperatures, allowing to preserve the shape of the scales and the multilayer structure of the cuticle

Depuis plus de 20 ans, de nombreuses méthodes et techniques non invasives ont été développées en vue de mesurer le plus objectivement possible, les propriétés (physico-chimiques, sensorielles, etc.) des produits cosmétiques. Ces méthodes visent à évaluer leur innocuité et leur efficacité, et deviennent d’autant plus perfectionnées que les processus d’élaborations de ces produits deviennent complexes et innovants.Au cours de ces travaux de thèse, une étude multi-échelle, de l'évolution structurale d'émulsions cosmétiques représentatives des crèmes mises sur le marché a été menée, afin de prédire leur stabilité tant texturale que microbiologique.L’étude du lien entre l’organisation structurale de ces émulsions avec leur composition et leur stabilité a été un des premiers défis à relever. Grâce à une technique non destructive ultrasonore permettant d’accéder aux propriétés micro-rhéologiques (propriétés viscoélastiques observée lors d'une sollicitation harmonique de cisaillement à quelques MHz), en association à différentes techniques classiques de caractérisation (microscopie optique, rhéologie basse fréquence, etc.) ; il a été possible de corréler les paramètres micro-rhéologiques obtenus à des modèles physiques reliant structuration interne et stabilité dans les émulsions considérées. Les résultats ont montrés que les données micro-rhéologiques sont sensibles aux variations de compositions (concentration) et d’organisations microscopiques des micelles au sein des émulsions (floculation, coalescence, etc.).Ensuite, le suivi de l’évolution d’une bactérie type (Pseudomonas fluorescens) dans des émulsions possédant des structures internes différentes, a montré d’une part la sensibilité de la micro-rhéologie vis-à-vis de la présence de bactéries dans le milieu, et d’autre part, l’impact de la structure et l’organisation des micelles sur le développement de ces bactéries.Finalement, la micro-rhéologie apparait être une méthode de mesure innovante et adaptée à l’échelle industrielle apportant une valeur ajoutée lors du développement de formulations cosmétiques. D’un point de vue sécuritaire, le dépistage précoce de contaminations biologiques par la détection d’instabilités (de changements) structurales au sein des émulsions, pourrait représenter une avancée majeure lors des phases de production et de commercialisation des produits cosmétiques
In the last 20 years, many non-invasive methods and techniques have been developed in order to measure the properties (physicochemical, sensory, etc.) of cosmetic products. These methods are designed to evaluate their safety and effectiveness, and become even more sophisticated as the processes of developing these products become complex and innovative.During this thesis works, a multi-scale study of the structural evolution of cosmetic emulsions was conducted in order to predict their textural and microbiological stability.The study of the link between the structural organization of these emulsions with their composition and their stability was one of the first challenges. Thanks to an ultrasonic non-destructive technique allowing access to micro-rheological properties (viscoelastic properties observed during a harmonic loading of shear at a few MHz), in association with different classical characterization techniques (optical microscopy, low frequency rheology, etc. .); it was possible to correlate the micro-rheological parameters obtained with physical models linking internal structuring and stability in the emulsions considered. The results showed that micro-rheological data are sensitive to variations in compositions (concentration) and microscopic organization of micelles within emulsions (flocculation, coalescence, etc.).Then, the follow-up of the evolution of Pseudomonas fluorescens bacteria in emulsions with different internal structures showed on the one hand the sensitivity of micro-rheology towards the presence of bacteria in the cream, and on the other hand, the impact of the structure and organization of micelles on the development of these bacteria.Finally, micro-rheology appears to be an innovative measurement method adapted on an industrial scale providing added value when developing cosmetic formulations. From a safety point of view, the early detection of biological contaminations by the detection of structural instabilities (of changes) within emulsions could represent a major advance during the production and marketing phases of cosmetic products

Les vibrations et le bruit sont des problèmes inévitables dans les produits d’ingénierie et la vie quotidienne. Il est donc indispensable de connaître les performances d’amortissement des matériaux d’ingénierie et les facteursqui affectent les dites propriétés. Les composites à base de fibres végétales (PFC) sont devenus une nouvelle option lorsqu’il s’agit de trouver un compromis entre l’amortissement et la rigidité. Les recherches actuelles sur l’amortissement sont principalement menées à l’échelle macro scopique et les sources et les mécanismes d’amortissement des composites de fibres végétales sont complexes et encore mal compris.Ainsi, l’objectif de cette de proposer une caractérisation fine et une meilleure compréhension de l’amortissement dans les composites biosourcés à l’aide d’une approche expérimentale multiéchelle. Cette thèse commence par une revue de la littérature sur le comportement d’amortissement des PFC. Ensuite, les influences de nombreux paramètres, y compris les types de matrice et de fibres, l’architecture du renfort, la température, la fréquence et la teneur en humidité sur les propriétés d’amortissement des PFC, sont étudiées sur la base d’une analyse mécanique dynamique (DMA) et d’une analyse modale. Les propriétés d’amortissement des constituants sont également déterminées in situ grâce des des essais en nanoindentation dynamique. Un protocole de chargement à amplitude constant est proposé en alternative à la méthode dynamique traditionnelle de raideur de contact (CSM). Les résultats sont comparés à ceux obtenus par l’analyse mécanique dynamique et méthodes de test modal. Les résultats montrent la contribution de chaque composant (fibre, matrice et interface) sur la dissipation d’énergie. En fin, les propriétés d’amortissement déterminées à ces différentes échelles à l’aide de ces trois techniques expérimentales sont tracées sur une concernant la large gamme de fréquences et de températures
Vibration and noise are unavoidable problems in engineering products and daily life. Thus, the knowledge of the damping performances of engineering materials and the factors that affect these properties are highly required. Plant fiber composites (PFCs) have become a new option when considering the compromise between damping and stiffness. Current researches on damping are mainly work at the macroscale and the damping sources and mechanisms in plant fiber composites are complex and not fully revealed. Thus, the main objective of this thesis is to provide a better characterization and understanding of damping in PFCs using various experimental techniques at different scales and on a wide range of frequency. This thesis starts with the review of literature on the damping behavior of PFCs. Then, the influences of many parameters including matrix types, fiber architecture, woven pattern, temperature, frequency and moisture content on the damping properties of PFCs are investigated based on dynamic mechanical analysis (DMA) and modal analysis. Furthermore, a constant amplitude method as well as constant stiffness method are used to map the in situ damping properties at the microscale based on grid dynamic Nanoindentation (DNI). These results are then compared to those obtained from dynamic mechanical analysis and modal test methods. The results from DNI show the contribution of each component (fiber, matrix and interface) on energy dissipation. Finally, the damping properties measured using these three experimental techniques at the three different scales are plotted on a wide frequency and temperature range

L'enrichissement des modèles numériques de l'être humain est un enjeu majeur dans la recherche en biomécanique des chocs. Dans le cas des os longs, les propriétés mécaniques sont le plus souvent déterminées à partir de caractéristiques macroscopiques sans prendre en compte l'influence de l'architecture du tissu. Ce manque de considération explique les limites de la biofidélité des modèles proposés actuellement. Fort de ce constat, une approche multi-échelle semble être pertinente pour une amélioration des prédictions obtenues. Cette thèse s'intéresse plus particulièrement au comportement de l'humérus humain dans le cadre de sollicitations dynamiques et propose le développement d'une loi micromécanique pour le décrire. Cette loi est un couplage entre le schéma d'homogénéisation linéaire de Mori-Tanaka pour l'estimation des propriétés mécaniques apparentes de l'humérus avec un raisonnement thermodynamique décrivant la progression de l'endommagement au sein de l'os cortical à l'aide d'une loi de croissance des porosités. La validité de ce modèle a été faite à travers l'estimation de l'effort ultime lors d'essais de type impacts. Pour ce faire, cette étude repose sur les résultats de campagnes expérimentales explorant à différentes échelles les propriétés mécaniques de 13 humérus prélevés de 10 sujets humains post-mortem. Ainsi des essais d'impact ont été réalisés sur pièces anatomiques, les propriétés élastiques mésoscopiques et l'influence de l'endommagement sur ces dernières ont été caractérisées à travers des tests de traction/compression ou de flexion sur éprouvettes et les propriétés microscopiques de la matrice osseuse ont été mesurées par nanoindentation
The relevant of the human numerical models is a major issue in biomechanical researches. The long bones' mechanical properties are often identified from macro-scale characteristics without taking account of bone structure. This lack of consideration explains the limit of the proposed models biofidelity. A multi-scale approach seems to be relevant for the prediction's improvement, in light of this. This thesis studied the human humerus behavior during dynamical solicitations and propose a micromechanical law to describe it. This law is coupling the linear homogenization scheme of Mori-Tanaka to evaluate the apparent mechanical properties of humerus with a thermo dynamical reasoning to describe the cortical bone damaging by porosities growing. The model validity has been established by the estimation of the maximal load during a impact test. This study is based on the results from multi-scale experimental campaigns exploring the mechanicals properties of 13 humerus from 10 post-mortem human cadavers. So impacts tests have been realized on anatomical specimens, the mesoscopic elastic properties and the damaging influence on them have been characterized by traction, compression or flexion tests and the microscopic properties of bone matrix have been measured by nanoindentation

Différentes études ont mis en évidence que la présence d'électrolyte modifie les performances de la nanofiltration et que l'augmentation du transfert observée est majoritairement gouvernée par la modification des propriétés du soluté (interactions soluté / électrolyte). Cependant, de nombreux verrous scientifiques et techniques restent encore à lever pour promouvoir l'intégration de ces opérations à l'échelle industrielle. Dans ce contexte, le travail proposé vise à améliorer la compréhension des mécanismes de transfert en s'appuyant d'une part sur la caractérisation multi-échelle des interactions dans les systèmes soluté neutre / électrolyte et plus particulièrement l'hydratation des espèces, et d'autre part sur la recherche de corrélations entre ces propriétés et les grandeurs de transfert. Plus précisément, il s'agit de comprendre comment les ions agissent sur les propriétés d'hydratation des sucres et leur transfert à travers une membrane de nanofiltration. Dans un premier temps, les propriétés volumiques de sucres (xylose, glucose, saccharose), qui caractérisent l'hydratation des solutés à l'échelle macroscopique, déterminées pour différentes compositions ioniques (LiCl, NaCl, KCl, Na2SO4, K2SO4, CaCl2, MgCl2, MgSO4), montrent que la déshydratation des sucres est principalement gouvernée par les interactions sucre / ions, dépendantes des propriétés des ions (valence, taille). Dans un second temps, la mécanique quantique est utilisée pour décrire les propriétés d'hydratation des ions et des sucres, seuls, puis en mélange à l'échelle microscopique. Il est montré que les sucres et les ions se déshydratent et que les sucres sont d'autant plus déshydratés que le nombre d'interactions sucre / ions augmente, qui lui-même augmente avec le nombre de coordinations des ions dans l'eau. Enfin, des corrélations quantitatives sont obtenues entre les propriétés d'hydratation des espèces (nombre d'hydratation, nombre de coordinations, nombre d'interactions...) obtenues aux différentes échelles et les grandeurs caractérisant le transfert. Ainsi, à partir de ces résultats prometteurs, des travaux complémentaires devraient permettre d'améliorer la prédiction des performances de la nanofiltration pour le traitement de solutions contenant des solutés organiques en présence d'électrolyte
Different studies have shown that the presence of electrolyte modifies the nanofiltration performances and that the increase of the neutral solute transfer is mainly governed by the modification of the solute properties (neutral solute / electrolyte interactions). However, the development of such membrane processes is still limited since it is hardly possible to predict the process performances, In this context, the aim of this work is to study the neutral solute / electrolyte interactions using a fundamental multi scale approach in order to improve the knowledge of the transfer mechanisms taking place through nanofiltration membranes. More precisely, the objective is to understand how the ions act on the hydration properties of the saccharides and their transfer through a nanofiltration membrane. Firstly, the saccharide volumetric properties (xylose, glucose, sucrose), which characterize the solute hydration at the macroscopic scale, are determined in presence of various electrolytes (LiCl, NaCl, KCl, Na2SO4, K2SO4, CaCl2, MgCl2, MgSO4). The results show that the saccharide dehydration is due to the predominance of the saccharide / ions interactions depending on the ions' properties (valence, size). Secondly, quantum mechanics is used to describe the hydration properties of ions and saccharides, alone and then in a mixture at the microscopic scale. It is shown that both saccharide and ions are dehydrated and that the saccharides are more dehydrated for increasing saccharide / ions interactions number, which in turn increases with the ion's coordination number in water. It is also shown that the species hydration properties, obtained at different scales are consistent. Finally, quantitative correlations between the species hydration properties and the saccharide mass transfer parameters are obtained. Thus, from these promising results, further work will be devoted to improve the prediction of the performance of nanofiltration for the treatment of solutions containing organic solutes in the presence of electrolyte

Ce mémoire s'intéresse aux propriétés de transfert, de résistance et de plasticité de roches argileuses. Deux enjeux industriels directs sont la détermination du potentiel de production de gaz naturel des roches mères et de la capacité de rétention des roches de couvertures utilisées pour les stockages de gaz ou de déchets en milieu souterrain. Dans un premier temps, la perméabilité est décrite comme résultant de l'homogénéisation de l'écoulement d'un fluide visqueux dans le réseau poreux. Un cadre variationnel analogue à celui de Hashin et Shtrikman en élasticité est établi et mis à profit pour proposer une méthode numérique basée sur la Transformée de Fourier Rapide (FFT) pour le calcul efficace de bornes sur la perméabilité à partir de représentations tridimensionnelles voxelisées de milieux poreux. Par ailleurs, des techniques d'homogénéisation analytiques basées sur la définition de cellules perméables équivalentes sont proposées pour fournir des briques élémentaires pour la modélisation micro-mécanique de la perméabilité.Le phénomène de glissement du gaz aux parois est considéré pour rendre compte quantitativement d'effets du type Klinkenberg sur la perméabilité au gaz. L'effet d'une saturation partielle du réseau poreux sur la perméabilité et la pression de percée sont étudiés dans le cas de morphologies particulières des pores. En parallèle, une campagne expérimentale est conduite sur différentes roches argileuses issues de forages pour caractériser leur porosité et leur perméabilité sous diverses conditions de confinement mécanique et desaturation partielle en eau. Dans un second temps, les capacités de résistance sont étudiées sous hypothèse de rupture ductile. Une méthode numérique efficace basée sur la FFT est proposée pour encadrer par l'extérieur le domaine de résistance de milieux hétérogènes à géométrie complexe. D'autre part, une modélisation analytique à trois échelles de la résistance d'un matériau granulaire renforcé par inclusions rigides avec interfaces imparfaites est présentée. Enfin, une relecture élasto-plastique de ce modèle de résistance a abouti à un modèle purement micro-mécanique, dont l'interprétation macroscopique est analogue au modèle Cam-clay, avec écrouissage par changement de porosité et ligne d'états critiques
This thesis is focused on the strength, plasticity and transport properties of mudrocks. Two industrial applications are the shale gas production and the underground gas or waste storage. In a first part, the permeability is described as resulting from the homogenisation of the flow of a Newtonian fluid within the pore space. A Hashin-Shtrikman like framework is derived for the permeability upscaling and used to propose a FFT-based numerical method for the efficient computation of bounds on the permeability, directly compatible with a voxelised representation of the pore space. As an alternative, analytic homogenisation techniques based on the definition of equivalent permeable cells are developed to provide building blocks for the micro-mechanical modelling of permeability. The gas slip at pore walls is accounted for to model Klinkenberg effects for gas permeability. Partial water saturation is also considered to model relative gas permeability and gas breakthrough pressure. In the mean time, a thorough experimental investigation of the evolution of porosity and permeability with confining pressure and partial water saturation has been carried out on several types of mudrocks. In a second part, the ductile strength properties is studied. An efficient FFT-based numerical method is proposed to compute the homogenised strength domain of heterogeneous media with complex micro-structures. Next, a three-scale analytic model of the strength of a granular media reinforced by rigid inclusions with imperfect interfaces is presented. In a third part, this strength model is re-interpreted in plasticity to propose a purely micro-mechanical model, whose macroscopic interpretation is similar to the Cam-clay model, including hardening or softening due to an evolving porosity and a critical state line

Notre environnement quotidien est constitué de multiples exemples d’éléments ou de structures susceptibles de se rompre par fatigue. En effet, si le secteur du transport aérien, terrestre et maritime, est à l’origine de nombreuses avancées dans le domaine de l’endommagement, les problèmes de fatigue concernent aujourd’hui des domaines d’activité très divers tels que la production d’énergie, le biomédical, l’automobile… D’une manière générale, on estime aujourd’hui qu’environ 80% des ruptures en service sont dues à une mauvaise prise en compte de l’endommagement par fatigue au stade de la conception et/ou du dimensionnement. En mécanique de la rupture, la « fractographie » est une science qui consiste à expertiser les débris d’une pièce rompue en vue de comprendre les mécanismes de l’endommagement, et ainsi définir l’histoire et les causes de la rupture. Une telle stratégie peut permettre d’améliorer par la suite la qualité du matériau pour mieux résister à la fatigue. Cette thèse est consacrée à l’analyse de ces débris que nous appelons surfaces de fracture, avec comme objectif la discrimination de trois étapes d’endommagement préconisées en mécanique de la rupture: l’étape d’amorçage de la fissure, l’étape de propagation stable et l’étape de la rupture finale du matériau. La rugosité de ces zones de fissuration est différente car la vitesse de fissuration change d’une zone à une autre. En effet, la fissure s’amorce à une vitesse, se propage à une autre vitesse et s’accélère pour mener le matériau à la rupture finale. Ces trois modes de comportement de la fissure sont confirmés par les graphes d’évolution de la fissure en fonction du nombre de cycles à la rupture, estimés à l’aide de la nouvelle stratégie de suivi de fissure développée durant cette thèse. Elle peut être adaptée à tout type de matériaux indépendamment de leur texture ou de leur conductivité électrique, avec une précision de l’ordre de 8 µm. Une campagne d’essais de fatigue a été conduite sur un ensemble d’éprouvettes d’un matériau élastomère destiné à la fabrication de pièces d’accouplements souples en industrie automobile. Les essais de fatigue ont été menés jusqu’à la rupture. Les surfaces de fracture ainsi obtenues sont numérisées à l’aide de deux techniques : l’interférométrie pour obtenir des cartes de hauteurs et la microscopie électronique à balayage pour obtenir des images microscopiques qui décrivent la texture de ces surfaces. La caractérisation de la rugosité de ces zones demande une classification très fine des irrégularités estampillées par la propagation de la fissure. D’où la nécessité d’adopter des méthodes de traitement de signal performantes pour quantifier d’une manière efficace ces structures singulières. Nous exploitons le paramètre de rugosité globale, appelé « exposant de Hurst », pour identifier l’axe de fissuration et par analyse fractale des profils de fracture (coupes transversales des cartes de hauteurs) nous montrons qu’il est possible de reconstruire le parcours de la fissure. L’analyse multifractale basée sur les maxima locaux de la transformée en ondelettes de ces profils a permis la discrimination des trois zones de fissuration à l’aide des spectres de singularités qui quantifient la force des singularités et leur distribution sur les trois zones d’intérêt
This thesis is devoted to analyse the fracture surfaces of a broken piece. The aim is to discriminate the three principles damage stages advocated in the field of fracture mechanics: fracture initiation stage, fracture propagation stage and finale rupture of the material. The behaviour of these fracture modes is confirmed by the graphs of the fatigue crack growth according to the number of fatigue cycles. These graphs are estimated using a new strategy developed for monitoring fatigue crack growth based on thermographic measures applicable to a wide range of materials regardless of their electrical conductivity and their surface texture. A campaign fatigue testing was conducted on a set of an elastomeric material samples, this material is used for the manufacture of parts of flexible couplings automotive industry. The fracture surfaces are digitized using two techniques: interferometry to obtain maps of heights and scanning electron microscopy to obtain microscopic images. The fracture phenomena being highly nonlinear and non-stationary; therefore, the classical roughness parameters measurement of fracture lines development is not adapted for their characterization. In this investigation, multifractal analysis based on the continuous Wavelet Transform Modulus Maxima method (WTMM) is proposed to give the discrimination of the profile lines development at three principal fracture stages. Indeed, the discrimination of these three fracture stages provides a powerful diagnostic tool to identify the fracture initiation site, and thus delineate the causes of the cracking of the material. We have used the global roughness parameter, called Hurst exponent, to identify the axis of cracking. The fractal analysis of the fracture profiles show that it is possible to reconstruct the crack path. It was established that multifractal analysis based WTMM describes reasonably well the scaling properties of local regularity of the fracture. It performs a fine discrimination of the three fracture zones using the singularities spectra which quantify the strength of singularities and their distribution