Tesi sul tema "Déformations multi-Échelles"

Les mouvements de terrain sont un des facteurs principaux de l'érosion des chaînes de montagnes et représentent un enjeu déterminant dans l'aménagement des vallées. Les phénomènes gravitaires se manifestent sous des formes très variées rarement reconnues et rarement analysées dans leur globalité au sein d'un même massif. Ainsi les liens géométriques et dynamiques les caractérisant ne sont-ils jamais abordés. Ils pourraient cependant représenter un apport substentiel dans la compréhension des processus de déstabilisation, la reconnaisssance et la définition des aléas.
Nous avons tout d'abord cartographié les mouvements gravitaires rocheux dans la partie occidentale du massif de l'Argentera Mercantour et étudié leur relation et leur répartition en fonction des variables géologiques et morphologiques régionales. Puis nous nous sommes focalisés sur l'étude de deux cas représentatifs actuels d'échelles différentes sur lesquels nous avons testé et calibré la méthode de tomographie électrique (2D-3D-4D): le glissement de la Clapière et un glissement secondaire emboîté a son pied.
Notre étude permet d'établir un lien et un contrôle par la structure tectonique des mouvements d'échelles très différentes : Deep Seated Gravitational Slope Deformations (DSGSD), Deep Seated Landslides (DSL) et glissements superficiels. Ce contrôle s'exprime de différentes façons mais il apparaît de manière générale que l'échelle spatiale des déstabilisations gravitaires qui en résulte est directement proportionnelle à l'échelle temporelle des processus géologiques et morphodynamiques.

Les aciers austénitiques FeMnC à haute teneur en manganèse ont une faible énergie de défaut d'empilement (EDE). Ils se déforment donc par glissement, mais aussi par maclage ou par transformation martensitique [Epsilon]. Le modèle thermochimique développé, incluant la transition magnétique de Néel, détermine l'EDE et les mécanismes de déformation activés en fonction de la température et de la composition. Les essais de traction réalisés sur des nuances Fe22MnO,6C et 1,OC de 77 K à 673 K montrent que l'allongement homogène est contrôlé par le taux d'écrouissage, en accord avec le critère de Considère. Le meilleur compromis allongement / résistance est obtenu à 298 K quand le maclage est activé (effet TWIP). A haute température, l'écrouissage latent seul conduit à un allongement et une résistance mécanique faibles. A basse température, la transition martensitique [epsilon] se substitue au maclage, le glissement est thermiquement activé et la résistance mécanique est maximale. A 298 K, l'étude MET montre que le maclage se produit sous forme de faisceaux de micromacles qui sont des obstacles forts au glissement. Leur épaisseur a été déterminée par simulation 2D à l'échelle des dislocations. A l'échelle des grains, deux systèmes de maclage sécants sont activés séquentiellement. Seule l'activation du second système vers 15 % de déformation contribue efficacement à l'écrouissage en réduisant le libre parcours moyen des dislocations mobiles. Un modèle de plasticité polycristalline à loi de transition d'échelle simple est proposé. Le comportement viscoplastique de chaque grain est calculé à partir des densités de dislocations stockées sur chaque système de glissement. L'activation de deux systèmes de maclage est contrôlée par une loi de Schmid et induit une réduction du libre parcours moyen des systèmes de glissement sécants. Le modèle reproduit avec une très bonne corrélation le lien entre la microstructure de maclage et les propriétés mécaniques
The high manganese austenitic steels have a low stacking fault energy (SFE). Their plastic deformation is achieved by slip, but also by twinning or by [epsilon] martensitic transformation. Our thermochemical modeling including the Néel magnetic transition determines the value of the SFE and the deformation mechanisms activated as a function of the temperature and the composition. Tensile tests performed on Fe22MnO. 6C and 1. OC grades between 77 K and 673 K show that the homogeneous elongation is controlled by the work hardening rate through Considère's criterion. The best compromise between elongation and tensile strength is obtained at 298 K when twinning is activated (TWIP effect). At high temperature, the mere latent hardening leads to a low elongation and tensile strength. At low temperature, twinning is replaced by the [epsilon] martensitic transformation, gliding is thermally activated and the tensile strength is maximal. At 298 K, the TEM study reveals that twinning occurs by formation of microtwins gathered into stacks which are strong obstacles for dislocation gliding. Their thickness is determined by a 2D simulation at the scale of the dislocations. At the scale of the grains, two secant twinning systems are sequentially activated along with strain. Only the second twinning system, which appears at about 15 % strain, contributes efficiently to work hardening by reducing the mean free path of mobile dislocations. A crystal plasticity framework which is based on simple scale transition laws bas been developed. The viscoplastic behavior of each grain depends on the dislocation densities stored on each slip system. The activation of two twinning systems is triggered by a Schmid law and leads to a rapid decrease of the mean free path for the secant slip systems. The model well reproduces the link between the twinning microstructure and the mechanical properties

Le domaine intracontinental est éloigné des limites des plaques tectoniques sur lesquelles sont localisées l’essentiel des déformations. La déformation intraplaque est une conséquence de la transmission de la contrainte depuis les limites de plaques vers le domaine intraplaque. Elle peut s’exprimer par un flambage lithosphérique, par des déformations régionales et des réseaux de fractures à micro- et méso-échelle. Ces déformations reflètent la nature des régimes de contraintes aux limites des plaques continentales. Elles ont une distribution hétérogène et à l'échelle régionale, révèlent souvent les directions d'un cadre structural préexistant. Le rôle de cet héritage structural à l'échelle micro et méso reste cependant mal compris. Ce travail de thèse se concentre sur les déformations cassantes à micro- (millimétrique à centimétrique) et méso-échelle (centimétrique à métrique) du domaine intra-plaque.Dans les zones urbaines avec des infrastructures souterraines importantes, il est essentiel de mieux comprendre la géométrie et la distribution des réseaux de fractures. Ces réseaux contrôlent, dans une certaine mesure, la dynamique de la circulation des fluides souterrains. Dans le cadre de cette thèse, la distribution, les géométries, les cinématiques et les chronologies relatives et absolues de ces déformations intraplaques ont été étudiées dans le Bassin de Paris. Pour ce faire, nous avons utilisé une approche multi-technique combinant travail de terrain et de laboratoire, afin d'aborder à deux échelles différentes : la micro-échelle et la méso-échelle. Les différentes méthodes utilisées sont l’inversion des données microtectoniques pour remonter à des paleo-contraintes, la datation absolue U-Pb des calcites de veines et de faille, et l'inversion des données de susceptibilité magnétique et de vitesse des ondes P afin de caractériser les microstructures internes des échantillons de roches.Les résultats nous permettent de proposer un modèle de déformations intraplaques dans le Bassin de Paris et de discuter du lien avec les événements géodynamiques de l'Europe occidentale tels que les orogénèses pyrénéenne et alpine et le système de rifting cénozoïque européen (ECRIS).Les données montrent que les déformations intraplaques dans le Bassin de Paris sont plus qu'une simple réactivation des discontinuités du socle. Ces déformations s’expriment via un vaste réseau de joints cassants, et sous forme de réseaux de failles, bien que plus rares. Enfin, grâce à la datation U-Pb de la calcite, nous montrons que la chronologie du réseau de failles spatialement hétérogène est surtout contemporaine des phases paroxysmales de déformation de l'orogenèse pyrénéenne. Ainsi, les champs de paléocontraintes déduits de l’inversion des plans de failles datés indiquent davantage l'orientation de la compression pyrénéenne que celle de la compression alpine ou de l'extension de l'ECRIS. Enfin, l'anisotropie de la vitesse des ondes P suggère que le réseau interne de fractures microstructurales des échantillons de craie reflète la nature géométrique des joints mesurés sur le terrain
The intracontinental domain is located far from tectonic plate margins, where significant stress can accumulate. Deformation of the intraplate domain is a consequence of stress transmission from plate boundaries. It results in lithospheric buckling, regional deformations, and meso to microscale fracture networks. These intraplate deformations reflect the nature of stress regimes at continental plate boundaries. They often have a heterogeneous distribution, and on a regional scale, are frequently impacted by the directions of pre-existing faults or weaknesses. The role of a structural inheritance remains to be shown on a micro and mesoscale.Understanding intraplate deformation is crucial for assessing geological hazards and fluid circulation in the context of subsurface solicitation. This is especially true in densely populated areas with substantial underground infrastructure. In this PhD, we investigate the geometries, distribution, kinematics, and timing of these intraplate deformations within the intracontinental Paris Sedimentary Basin, with the city of Paris at its center.To achieve this and to attempt to link the different scales of structures, we use multiple techniques, combining fieldwork and laboratory work, in order to approach the problem from two different scales: the mesoscale (metric to centimetric) and microscale (centimetric to millimetric). The structural analyses include calculating paleostress fields from microtectonic data collected in the field and in-situ U-Pb absolute dating of synkinematic calcites and calcitic veins. The microscale is investigated through the inversion of magnetic susceptibility and P-wave velocity data to characterize the internal microstructures of rock samples.The data show that an extensive network of multi-directional brittle joints exists and is expressed at different scales. In chalk samples for example, the measured anisotropy of P-wave velocity reflects the directions of mesoscale joints measured in the field. When the applied shear stress exceeds the shear strength of the joint, failure occurs. This can manifest as sliding or fracturing along the joint plane. Thus, some of the joints are reactivated later. Evidences of faulting, while less common than joints, also exist in the Paris Basin. Calculated paleostress tensors indicate mostly strike-slip faulting regimes with maximal principal stress axes (sigma1) roughly N-S. This direction is concordant with the N-S orientation of Pyrenean compression more so than Alpine compression or Tertiary extension at the origin of the European rifted continental basins. Furthermore, through in-situ U-Pb dating of calcite mineralized along fault planes or within veins, we show that the Late Cretaceous to Eocene timing of the fault network is more aligned with the Pyrenean Orogeny than the Alpine Orogeny or the European Cenozoic Rift System (ECRIS)

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
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

Resin infusion-based processes are good candidates for manufacturing thin composite materials parts such as those used in aeronautics for instance. These processes consist in infusing a liquid resin into a stacking of fibrous preforms under the action of a mechanical pressure field applied onto this stacking where a stiff- distribution medium is also placed to create a resin feeding. Both physical and mechanical properties of the final pieces are rather difficult to predict and control. Numerical simulation are perfectly suited to master these processes. In the present work a numerical finite element modeling framework is proposed to simulate infusion processes. The flow of the assumed Newtonian resin is described in the distribution medium, a highly porous medium, through Stokes' equations and through Darcy's equations in the fibrous preforms, very low permeability media. This coupled Stokes-Darcy flow is modeled in a monolithic approach which consists in using a single mesh for both media. The mixed velocity- pressure formulation is then discretized by linear-linear finite elements, stabilized by a so-called ASGS multi-scale approach. Both Stokes-Darcy interface and fluid front are represented individually thanks to "Level-Set" functions, and some specific coupling conditions are prescribed on the interface separating both fluid and porous media. During the process, orthotropic preforms undergo finite strains, either during the compaction stage when resin is not yet present, or during resin infusion. Resin pressure then tends to make the preforms swell. Preforms deformations are represented through an updated Lagrangian formulation for finite deformations. Dry preforms possess a non-linear elastic behaviour in their transverse direction - across their thickness- given by existing experimental measurements. The effect of the presence of resin in the wet preforms is accounted for using a Terzaghi's equivalent model. Also, when preforms deform their porosity will change, and so will their permeability, modifying the resin flow. A Carman-Kozeny model is then used to relate porosity and permeability. After the Stokes-Darcy coupling is validated both on numerous tests cases and using the method of manufactured solutions, various 2D and 3D simulations of injection and infusion-based processes are analyzed.The latter includ- ing preform deformations along with resin flow. Comparisons with existing experimental measurements permit to validate the approach on a simple geometry. Last, some ex- tensions to more complex 3D cases are proposed as outlooks, including curvatures and thickness variations.

Les fils composites nanostructurés et architecturés cuivre-niobium sont de candidats excellents pour la génération de champs magnétiques intenses (>90T); en effet, ces fils allient une limite élastique élevée et une excellente conductivité électrique. Les fils Cu-Nb multi-échelles sont fabriqués par étirage et empaquetage cumulatif (une technique de déformation plastique sévère), conduisant à une microstructure multi-échelle, architecturée et nanostructurée présentant une texture cristallographique de fibres forte et des formes de grains allongées le long de l'axe du fil. Cette thèse présente une étude compréhensive du comportement électrique et élasto-plastique de ce matériau composite, elle est divisée en trois parties: modélisation multi-échelle électrique, élastique et élasto-plastique. Afin d'étudier le lien entre le comportement effective et la microstructure du fil, plusieurs méthodes d'homogénéisation sont appliquées, qui peuvent être séparées en deux types principaux: la méthode en champs moyens et en champs complets. Comme les spécimens présentent plusieurs échelles caractéristiques, plusieurs étapes de transition d'échelle sont effectuées itérativement de l'échelle de grain à la macro-échelle. L'accord général parmi les réponses de modèle permet de suggérer la meilleure stratégie pour estimer de manière fiable le comportement électrique et élasto-plastique des fils Cu-Nb et économiser le temps de calcul. Enfin, les modèles électriques prouvent bien prédire les données expérimentales anisotopique. De plus, les modèles mécaniques sont aussi validés par les données expérimentales ex-situ et in-situ de diffraction des rayons X/neutrons avec un bon accord
Nanostructured and architectured copper niobium composite wires are excellent candidates for the generation of intense pulsed magnetic fields (>90T) as they combine both high strength and high electrical conductivity. Multi-scaled Cu-Nb wires are fabricated by accumulative drawing and bundling (a severe plastic deformation technique), leading to a multiscale, architectured and nanostructured microstructure exhibiting a strong fiber crystallographic texture and elongated grain shapes along the wire axis. This thesis presents a comprehensive study of the effective electrical and elasto-plastic behavior of this composite material. It is divided into three parts: electrical, elastic and elasto-plastic multiscale modeling. In order to investigate the link between the effective material behavior and the wire microstructure, several homogenization methods are applied which can be separated into two main types: mean-field and full-field theories. As the specimens exhibit many characteristic scales, several scale transition steps are carried out iteratively from the grain scale to the macro-scale. The general agreement among the model responses allows suggesting the best strategy to estimate reliably the effective electrical and elasto-plastic behavior of Cu-Nb wires and save computational time. The electrical models are demonstrated to predict accurately the anisotropic experimental data. Moreover, the mechanical models are also validated by the available ex-situ and in-situ X-ray/neutron diffraction experimental data with a good agreement

Ce travail a pour objectifs de comprendre et de prédire les gauchissements de plaquettes en silicium durant le procédé de fabrication des composants électroniques de type PTIC. Ces gauchissements sont en partie responsables de plusieurs problèmes de productivité. Cette étude repose sur un couplage entre les calculs analytiques, la modélisation par élément finis et l’expérimentation. La caractérisation mécanique des films minces constituant l’empilement a été effectuée par des techniques spécifiques comme la nanoindentation complétée par des modélisations numériques. Les contraintes intrinsèques dans les films minces ont été déterminées en couplant des mesures de gauchissements des plaquettes et des calculs par éléments finis. Les valeurs du module d’Young et des contraintes intrinsèques obtenues constituent des variables d’entrée pour calculer les gauchissements de la plaquette par des approches analytiques et numériques. La complexité des structures (plaquettes avec des milliers de puces) a nécessité l’utilisation des modèles d’homogénéisation pour estimer numériquement les gauchissements. Les résultats obtenus ont permis de prédire les gauchissements à l’échelle des plaquettes dans le but d’optimiser les conditions de fabrication afin de minimiser les risques d’apparition des problèmes mécaniques
The aim of this work is to understand and predict the warpage of silicon wafers during the fabrication process of PTIC microelectronic components. The warpages are partially responsible for several productivity problems. This study is done by coupling analytical calculation, finite element modeling and experimentation. The mechanical characterization of thin films constituting the multi-layered stack has been carried out by an experimental method nanoindentation with the help of a finite element model. The intrinsic stress in the thin films has been determined by coupling measurements of the wafer warpage and a finite element model. The obtained Young’s modulus and intrinsic stress are used to feed the database for calculating the wafer warpage by analytical and numerical approaches. The complexity of the structures (thousands of components in the wafer) required the use of homogenized models to calculate the wafer warpage. These results obtained allow the prediction of the wafer-level warpage in order to optimize the fabrication process flow and therefore reduce the risk of the mechanical problem

Les méthodes de calcul en fatigue à grande durée de vie sont en cours de développement depuis des décennies et sont utilisées par les ingénieurs pour dimensionner les structures. Généralement, ces méthodes se basent sur la mise en équations de quantités mécaniques calculées à l'échelle macroscopique ou mésoscopique. Les critères de fatigue multiaxiale reposent généralement sur des hypothèses de changement d'échelle dont l'objectif est d'accéder à l'état de contraintes ou de déformations à l'échelle du grain. Dans les approches de type plan critique (Dang Van, Papadopoulos, Morel), l'amorçage d'une fissure de fatigue est considéré comme piloté par une quantité mécanique liée à une orientation matérielle particulière (plan critique). Si ces phénomènes sont bien établis dans le cas des chargements uniaxiaux, la nature des mécanismes liés à l'activation des systèmes de glissement, à la multiplicité du glissement et aux différents sites préférentiels d'amorçage de fissures sous chargements complexes reste peu connue.Afin de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement en fatigue multiaxiale, les techniques d'analyse et de caractérisation de l'activité plastique (activation des systèmes de glissements, bandes de glissement persistantes) et d'observation de l'endommagement par fatigue ont été mises en place en se basant principalement sur des observations MEB et analyses EBSD. Ces investigations ont permis de mettre en lumière les effets des chargements non proportionnels sur la multiplicité du glissement sur du cuivre pur OFHC. L'étude statistique des sites préférentiels d'amorçage de fissures montre que les grains à glissement multiple présentent une forte probabilité d'amorçage de fissures, surtout sous les chargements non proportionnels. Nous avons également mis en évidence le rôle des joints de grains et des joints de macle sur le développement de la plasticité à l'échelle de la microstructure. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux du calcul éléments finis (EF) en plasticité polycristalline sur des microstructures synthétiques 3D semi-périodiques. L'application du critère de Dang Van à l'échelle mésoscopique (le grain) montre une forte variabilité de la contrainte hydrostatique et du cisaillement. Cette variabilité est plus importante pour un modèle de comportement cristallin élastique anisotrope. Le rôle de la plasticité cristalline se révèle secondaire. Ces analyses permettent de remettre en perspective les hypothèses usuelles de changement d'échelle utilisées en fatigue multiaxiale. Enfin, une méthode basée sur la statistique des valeurs extrêmes est proposée pour le dépouillement des calculs EF sur agrégats. Cette analyse a été appliquée sur la contrainte équivalente associée au critère de fatigue de Dang Van pour les calculs d'agrégats polycristallins avec différentes morphologies et orientations des grains. Les effets de la surface libre, du type de chargement et du modèle de comportement mécanique des grains ont été analysés. Les résultats offrent des perspectives intéressantes sur la modélisation de l'amorçage des fissures en fatigue multiaxiale des matériaux et des structures avec une prise en compte de la microstructure.

Dans l'étude des éléments combustibles des réacteurs à eau pressurisée, cette thèse s'inscrit dans la compréhension et la modélisation du comportement viscoplastique du dioxyde d'uranium (UO2) à l'échelle du polycristal. Lors de fonctionnement de type incidentel du réacteur, le combustible subit une forte élévation de la température avec un gradient thermique de la pastille engendrant des déformations viscoplastiques contrôlées par des mouvements de dislocations. D'abord, un modèle de plasticité cristalline a été développé de manière à décrire l’anisotropie viscoplastique du matériau en fonction de la température et de la vitesse de sollicitation. Des simulations par éléments finis (EF) sur monocristaux ont permis d’identifier que les trois modes de glissement généralement observés dans l'UO2 sont importants pour décrire le comportement anisotrope du matériau. Dans un second temps, les coefficients de la matrice d'interactions entre dislocations ont été déterminés spécifiquement pour l’UO2 afin d’améliorer la modélisation des polycristaux. En effet, en calculant par EF les dislocations géométriquement nécessaires, qui sont responsables d’une forte augmentation de la densité de dislocations stockées dans les polycristaux, les interactions entre dislocations permettent de simuler l’effet dé taille de grain et l’écrouissage des pastilles. Finalement, le modèle, adapté pour les polycristaux, a été validé par comparaison avec les essais expérimentaux sur pastille et par comparaison du comportement intra-granulaire simulé avec des mesures EBSD. Grâce à cette dernière comparaison, il est possible de remonter indirectement aux hétérogénéités de déformation dans les grains
This thesis is part of the study of fuel elements of pressurized water reactors and, more specifically, focus on the understanding and modelling of the viscoplastic behavior of uranium dioxide (UO$_2$) at polycrystalline scale. During the incidental operation of the reactor, the fuel undergoes a strong increase of temperature and thermal gradient between the center and the periphery of the pellet leading to viscoplastic strains due to dislocation movement mechanisms. First, a crystal plasticity model was developed in order to describe the viscoplastic anisotropy of the material considering the temperature and the loading rate. Finite element (FE) simulations on single crystals enabled to highlight that the three slip modes generally observed in UO$_2$ are crucial to describe the anisotropic behavior of the material. Secondly, coefficients of the interaction matrix have been identified specifically for UO$_2$ in order to improve the polycrystal modelling. Indeed, by calculating geometrically necessary dislocations (GNDs), which are responsible of the great increase of the stored dislocation density in polycrystals, the interactions between dislocations enable to simulate de grain size sensitivity and hardening of the fuel pellet. Finally, the model adapted for polycrystals, have been validated by comparing FE simulations with pellet compression tests and by comparing the simulated intra-granular behavior with EBSD measurements. Thanks to the latter comparison, it is possible to indirectly compare the strain heterogeneities in the grains

Cette thèse est dédiée à la caractérisation de la déformation plastique sévère et des évolutions de la microstructure engendrées dans les rails en service, conduisant à leur fissuration par Fatigue de Contact de Roulement. L’amorçage de ces fissures en surface et leur propagation en profondeur mettent en jeu des phénomènes à l’échelle de la microstructure qui peuvent entrainer à l’échelle macroscopique des écaillages de surface ou même conduire à des ruptures brutales de rails en cours de fonctionnement. Pour améliorer la compréhension de ces différents phénomènes en sous surface, une méthodologie expérimentale multi-échelles et multi-techniques a été conduite sur des rails prélevés en cours de service. Dans un premier temps, la présence d’un gradient tridimensionnel de microstructure, de cristallographie et de propriétés mécaniques engendré par les contacts répétés avec les roues a été mise en évidence dans la tête du rail au cours de son fonctionnement. Par le biais d’une campagne de prélèvement de rails en circulation à différents chargements, les stades de mise en place de ces gradients et la déformation plastique accumulée dans la tête de rail ont ensuite pu être évalués, de même que leurs évolutions par rapport aux passages des roues sur le rail et au développement des fissures. Cette étude contribue ainsi à une meilleure appréhension des mécanismes d’endommagement en fatigue de contact de roulement des rails en fonctionnement et pourra fournir une base de données solide pour les travaux à venir dans le domaine
This work is dedicated to the characterization of severe plastic deformation and microstructure evolution induced in rails in service, leading to cracks initiation by Rolling Contact Fatigue. Initiation of these surface cracks and in-depth propagation involve several phenomena at the microstructure scale which can lead to surface spalling at the macroscopic scale or even to brutal failure of the rail during its service. To improve understanding of these various phenomena beneath the rail surface, an experimental, multi-scales and multi-techniques methodology has been followed on rails removed from service. In the first part of results, the presence of a three-dimensional gradient of microstructure, of crystallography and of mechanical properties induced by the repeated contacts with wheels has been highlighted in a rail head during its service. Then, by means of a field analysis campaign of rails removed from service at several accumulated loads, the different stages of in-depth gradients development and plastic deformation accumulated in the rail head have been estimated in relation with total accumulated tonnage and cracks initiation. This study contributes to improve the understanding of the damage mechanisms in rolling contact fatigue of rails in service and the modeling of rail plasticity and crack propagation by including anisotropy of the running band and effect of in-depth microstructure evolution

L’amélioration des performances spécifiques des alliages métalliques de l’aéronautique est une démarche constante. Les alliages de titane sont des matériaux privilégiés par les constructeurs aéronautiques car ils allient hautes propriétés mécaniques et faible densité.Parmi ces matériaux, les alliages β-métastables qui ont pour particularité de retenir jusqu’à 40% de phase β connaissent un fort regain d’intérêt pour les motoristes (Ti-17) comme pour des applications de structure type trains d’atterrissage (Ti-5553 et Ti-10-2-3). Ce travail a pour but d’analyser le comportement mécanique et la durabilité de ces alliages soumis à des sollicitations monotones et cycliques en lien avec les microstructures.Des essais mécaniques ont pour cela été développés à partir de différentes microstructures métallurgiques qu’elles soient issues d’un traitement industriel ou spécifique visant à simplifier ces dernières. Les mécanismes de déformation (systèmes de glissement) et d’endommagement (amorçage de fissures) ont été identifiés et analysés à différentes échelles par microcopie optique et électronique à balayage en intégrant les notions d’orientation cristallographique (EBSD). Le recours à des essais réalisés in situ sous microscope (optique et MEB) et à une métrologie adaptée aux échelles pertinentes a permis d’identifier les éléments micro-structuraux clés et les cinétiques de développement de ces processus. Un des faits marquants est le rôle majeur de l’anisotropie de propriétés mécaniques de la phase β qui a également fait l’objet de simulations numériques
The improvement of specific performances of metallic materials used for aerospaceapplications needs continuous researches and developments. Titanium alloys are materials ofchoice for aerospace companies thanks to their high mechanical properties and low density.Among them, the β-metastable alloys that retain up to 40% of β phase are more and moreintroduced in aircraft engines (Ti-17) and for structural parts (e.g. landing gears in Ti-5553and Ti-10-2-3).This work aims to analyse the mechanical behaviour and durability of these alloyssubmitted to monotonic or cyclic loadings. Mechanical tests have been developed on differentindustrial microstructures as on academic simplified ones produced by specific thermaltreatments. Deformation mechanisms (slip systems) and damage processes (cracks initiation)were identified and analyzed at different scales using microscopes (optical and SEM) andcrystallographic features were studied by EBSD. Specific in situ tests performed undermicroscopes (optical and SEM) and digital images correlation techniques at scales of interesthave permitted to identify and to quantify the key microstructural parameters and the kineticsof these processes. One major result concerns the influence of the anisotropy of mechanicalproperties associated to the β phase

Les mécanismes de glissement des dislocations et de maclage se manifestent et interagissent lors de la déformation plastique de nombreux matériaux mais n’induisent cependant pas toujours le même comportement. Le rôle de ces deux mécanismes dans l’hétérogénéité et l’anisotropie de la déformation plastique est discuté dans cette thèse au travers d’une étude multi-échelles de deux matériaux à fort potentiel industriel : un acier austénitique présentant l’effet TWIP (TWinning Induced Plasticity) et le titane-alpha commercialement pur. Si dans les deux cas, le glissement des dislocations reste prépondérant pour accommoder la déformation plastique, le rôle de chaque mécanisme n’est pourtant pas clairement établi. La caractérisation de chaque matériau s’est faite grâce à des essais de traction à température ambiante (échelle macroscopique), couplés à des mesures d’extensométrie locale à haute résolution et d’émission acoustique (échelles mésoscopique) ainsi que des analyses de microstructure. Ces études ont notamment montré que l’instabilité plastique qui se manifeste dans l'acier TWIP étudié émerge de manière progressive, bien avant la déformation critique pour l’apparition des premières fluctuations de contrainte sur les courbes de déformation. Par ailleurs, le rôle du maclage apparaît comme essentiel pour pouvoir expliquer le mécanisme de cette instabilité plastique. Concernant le titane-alpha, un écrouissage en trois stades dans des conditions de traction a été mis en évidence avec un effet inverse de la vitesse de déformation suivant la direction de traction par rapport à la texture initiale (sens laminage ou transverse). Le maclage ne semble ici jouer qu’un rôle secondaire. Une hypothèse de sensibilité à la vitesse de déformation différente entre glissement prismatique et pyramidal a alors été proposée pour expliquer nos observations. Enfin, cette hypothèse a été confrontée à l’estimation des systèmes de glissement actifs par des mesures de traces de glissement à différents taux de déformation
Dislocation glide and twinning mechanisms occur and interact during plastic deformation of many materials, often leading to diverse behaviors. The role of both mechanisms on heterogeneity and anisotropy of plastic deformation is discussed in this thesis through a multiscale study of two materials with strong industrial potential: an austenitic steel displaying the TWIP (TWinning Induced Plasticity) effect, and commercially pure alpha-titanium. If in both cases, dislocation glide remains the dominating mechanism to accommodate plastic deformation, the role of each mechanism is still not well understood. Materials characterization consists of tensile tests at room temperature (macroscopic scale) associated with high resolution local extensometry and acoustic emission measurements (mesoscopic scales), as well as microstructure analyses. It is shown that plastic instability which takes place in the studied TWIP steel appears progressively, long before the critical strain for the onset of stress serrations on deformation curves. Moreover the role of twinning seems to be essential for the mechanism of plastic instability. Concerning alpha-titanium, a three-stage character of strain hardening in tension conditions is highlighted with an inverse effect of strain-rate regarding the tensile direction in relation with the initial texture (rolling or transverse direction). Twinning seems to play here only a secondary role. To explain these observations it is conjectured that the strain-rate sensitivity of stress is different for prismatic and pyramidal glide. Finally, this hypothesis is compared to the estimation of active slip systems based on the slip lines analysis at different strain levels

Le présent travail de thèse se consacre au développement d'un nouveau modèle micromécanique pour les composites en thermoplastique renforcé par des fibres de verre courtes. L'objectif est notamment la modélisation du comportement visco-endommageable en fatigue du PA66-GF30. Ce matériau, particulièrement utilisé dans l'industrie automobile, est sujet à une microstructure spécifique issue du procédé de moulage par injection. L'approche multi-échelles développée consiste en une méthode de Mori-Tanaka modifiée, appliquée à des renforts avec enrobage et prenant en compte l'évolution de l'endommagement à l'échelle microscopique. La description des mécanismes d'endommagement se base sur une investigation expérimentale poussée préalablement menée au sein de l'équipe. Des scénarios d'endommagement ont été proposés et incluent trois processus locaux différents : la décohésion de l'interface, la microfissuration de la matrice et les ruptures de fibres. Ceux-ci sont spécialement affectés par la microstructure. L'approche développée intègre ces cinétiques d'endommagement ainsi que la viscoélasticité non-linéaire de la matrice et la distribution d'orientation des inclusions due au procédé de fabrication. Chaque mécanisme d'endommagement est modélisé par une loi d'évolution basée sur les contraintes locales calculées à l'échelle microscopique. La loi constitutive finale, à l'échelle du volume élémentaire représentatif, est implémentée dans une bibliothèque scientifique en C++, SMART+, et est conçue pour être compatible avec une analyse de structures par éléments finis. L'identification du modèle est réalisée par rétro-ingénierie, en tirant profit de résultats expérimentaux multi-échelles, dont notamment des tests in-situ au MEB ainsi qu'une analyse qualitative et quantitative par μCT
The current work focuses on a new micromechanical high cycle fatigue visco-damage model for short glass fiber reinforced thermoplastic composites, namely: PA66/GF30. This material, extensively used for automotive applications, has a specific microstructure which is induced by the injection process. The multi-scale developed approach is a modified Mori-Tanaka method that includes coated reinforcements and the evolution of micro-scale damage processes. Their description is based on the experimental investigations of damage mechanisms previously performed by the team. Damage chronologies have been proposed involving three different local degradation processes: fiber-matrix interface debonding/coating degradation, matrix microcracking and fiber breakage. Their occurrence strongly depends on the microstructure. The developed model integrates these damage kinetics and accounts for the complex matrix viscoelasticity and the reinforcement orientation distributions induced by the process. Each damage mechanism is introduced through an evolution law involving local stress fields computed at the microscale. The developed constitutive law at the representative volume element scale is implemented into a C++ scientific library, SMART+, and is designed to work with Finite Element Methods. The model identification is performed via reverse engineering, taking advantage of the multiscale experimental results: in-situ SEM tests as well as quantitative and qualitative μCT investigations

La marge Ligure est une marge passive soumise à une déformation tectonique compressive associée à la tectonique salifère messinienne. La reprise en compression de la marge s’accompagne d’une sismicité modérée récurrente ponctuée d’évènements plus forts. La marge Ligure est le siège d’une sédimentation importante au Plio-Quaternaire. Elle constitue un environnement propice à l’étude des déstabilisations gravitaires. L’objectif principal de ce travail était de décrire et caractériser les principaux mouvements en masse ayant affecté la marge continentale Ligure au cours du Plio-Quaternaire, de localiser les principales zones sujettes aux déstabilisations et d’identifier les facteurs pré-conditionnant et déclenchant les ruptures dans le but de mieux évaluer l’aléa gravitaire. Une large couverture de données bathymétriques, géophysiques et des carottages acquis sur l’ensemble de la marge a permis de réaliser une étude multi-échelles des processus de ruptures gravitaires et des facteurs déclenchant associés. Près de 1500 glissements ont été identifiés. L’étude de leur répartition spatio-temporelle illustre que l’ensemble de la marge a toujours été affectée par des déstabilisations de pente mais que les principales zones de ruptures auraient migré vers l’ouest au cours du Plio-Quaternaire. Les grandes ruptures sous-marines sont préférentiellement associées aux zones de déformation maximale, cette dernière étant contrôlée par la tectonique crustale et/ou la tectonique salifère. Il apparaît que les ruptures résultent plus généralement d’une association de facteurs distincts qui ont participé à fragiliser la stabilité des dépôts de la pente et qui ont pu provoquer leur rupture
The Ligurian margin is a passive margin characterized by high sedimentation rates during the Plio-Quaternary. It is affected by a compressive tectonic deformation leading to the inversion of the margin, together with a salt tectonic. The present-day moderate seismic activity is punctuated by stronger seismic events. Thus, this margin offers a good natural laboratory to study submarine landslides and their triggering factors. Although the Var Turbidite System has been well investigated over the last 20 years, the morphology and tectonics/sedimentary processes affecting the whole margin remained poorly known. This study aims to describe and to characterize the main types of mass movements, their preferential locations along the Ligurian margin during the Plio-Quaternary and their triggering factors to improve geohazards assessment related to landslides. A dataset including bathymetric and geophysical data and cores allowed to realize a multi-scale study of submarine failures and their associated triggering factors. About 1500 landslides were identified on the margin and in the basin. The study of their spatio-temporal distribution revealed that the margin has always been affected by mass-wasting processes and that the main zones of landsliding migrated westward during the Plio-Quaternary. The largest submarine landslides are preferentially associated with the highest deformation rates and their location is controlled by crustal tectonics and/or salt tectonics. The initiation of failures results from the combination of several factors including the margin deformation, earthquakes, salt tectonics and sediment under-consolidation

L’objectif de cette étude est de modéliser les réponses mécaniques de deux matériaux composites SMC soumis à des sollicitations de types fatigue et dynamique. Pour mener à bien cet objectif, une étude bibliographique a été menée sur les propriétés et la modélisation des comportements dynamique et cyclique des matériaux composites à renforts discontinus. L’endommagement à l’interface fibre-matrice apparait comme étant le phénomène moteur dans les composites SMC dont le comportement peut être qualifié d’élastique endommageable. Ainsi, un modèle micromécanique basé sur une technique d’homogénéisation dans lequel un critère local statistique de rupture à l’interface fibre-matrice a été introduit a été développé et a permis de traduire le comportement monotone des SMC étudiés a été développé. Les résultats expérimentaux extraits de la littérature ont permis l’extension du modèle micromécanique aux cas des chargements cycliques et dynamiques. Quatre approches complémentaires tous fondé sur la prise en compte des dommages interfaciaux ont été développées. Notamment, le critère a été formulé en fonction des contraintes limites normales et tangentielles locales, des vitesses de chargement locales correspondantes et du nombre de cycle afin de prédire le comportement dynamique et cyclique. Ainsi, les réponses mécaniques sous chargement monotone, la dégradation progressive des propriétés mécaniques sous chargement dynamique et cyclique et la durée de vie des deux composites SMC étudiés ont pu être prédites avec une bonne concordance avec les résultats expérimentaux obtenus à l’échelle microscopique et macroscopique
The aim of this study is to model the mechanical behavers of two SMC composite materials subjected to fatigue and dynamic loadings. To achieve this goal, a bibliographic study was carried out on the modeling of the dynamic and cyclic behavior of SMC composite. Fiber-matrix interface decohesion is a main local damage mechanism in SMC composites. This phenomenon is introduced in the Mori and Tanaka approach through a local damage criterion which defines step by step the number of micro-cracks to be introduced in the homogenization scheme of this model during loading until final failure.Indeed, this model allows predicting the monotonic behavior of the studied SMCs. The experimental results, extracted from literature, have allowed the extension of the micromechanical model in the cases of cyclic and dynamic loadings. Four complementary approaches, all based on the consideration of interfacial damage, have been developed as a function of the local normal and tangential stress values, the corresponding strain rate and the number of cycles.Thus, the mechanical response under monotonic loading at different strain rates from quasi-static to dynamic was also predicted. For the fatigue loading, the progressive degradation of the mechanical properties and the fatigue lifetime of the two investigated SMC composites were predicted in good agreement with the experimental results obtained at microscopic and macroscopic scale

L’objectif de cette thèse est d’établir le scénario multi-échelles de déformation du PEEK lorsqu’il est sollicité en traction uniaxiale. Préalablement à la mise en oeuvre d’échantillons de deux grades commerciaux de PEEK, les propriétés thermiques et mécaniques de ces matériaux ont été caractérisées. La température d’oubli thermodynamique ainsi que la sensibilité aux vitesses de refroidissement ont été établies. Des éprouvettes de traction ont été obtenues à partir de plaques thermocompressées, procédé choisi pour obtenir des morphologies les plus isotropes possibles. Les propriétés mécaniques en traction ont ensuite été caractérisées au-dessus et au-dessous de la transition vitreuse de la phase amorphe (Tg). Grâce à un dispositif expérimental fabriqué sur mesure, des essais de traction à deux températures distinctes au-dessous et au-dessus de Tg ont été suivis par diffusion des rayons X aux petits (SAXS) et grands angles (WAXS) pour caractériser les déformations à l’échelle des empilements lamellaires et à l’échelle de la maille cristalline. Simultanément, le champ de déformation a été mesurée par corrélation d’images (DIC) afin de comparer la déformation macroscopique et microscopique. Pour les deux températures, les lamelles tendent à s’orienter perpendiculairement à la direction de traction (TD). Ce mécanisme d’orientation local (que nous appelons « modèle de réseau de chaînes ») est induit par la transmission des contraintes par les chaînes amorphes reliant les lamelles cristallines adjacentes. Au-dessus de Tg, l’allongement local est plus faible que l’allongement macroscopique dans les lamelles perpendiculaire à TD, ce qui implique que les lamelles inclinées doivent être cisaillées. L’évolution de la distribution d’orientation des lamelles appuie ce résultat. Une morphologie fortement orientée est finalement obtenue quelle que soit la température. Cependant, le profil d’endommagement est différent. En-dessous de Tg, le profil de diffusion centrale indique l’existence de petites entités (lamelles ou crystallites) orientées aléatoirement. A hautes température, le matériau est fibrillaire et présente des cavités
The aim of this PhD work is accessing the microscopic deformation mechanisms of bulk poly-ether-ether-ketone (PEEK) under tensile stretching. Beforehand, the thermal and mechanical properties of two commercial grades of PEEK were characterized. Tensile specimens were then compression-molded to obtain morphologies as isotropic as possible and characterized below and above the glass transition temperature. Deformations at the scales of lamellar stacks and of the crystalline unit cell have been characterized by small and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) performed in-situ during tensile tests. Simultaneously, the strain field within the samples was followed by digital image correlation (DIC) in order to compare microscopic and macroscopic strains. At both temperatures, lamellae tend to orient perpendicular to the tensile direction (TD). This orientation mechanism (which we denote as ‘Chain Network model’) is driven by the amorphous chains which transmit the stress between adjacent lamellae. The tensile strain in lamellar stacks perpendicular to TD is lower than the macroscopic tensile strain, which must be compensated by increased shear in inclined stacks. Some differences of behavior have been observed depending on the test temperature, especially at high deformation. A highly oriented morphology is ultimately obtained in all cases. However, the central scattering profiles changes with testing temperatures. Below Tg, the presence of small entities randomly oriented is indicated. Above Tg, the material is fibrillar and contains cavities

Cette thèse est consacrée à la modélisation par transition d'échelles d'une large classe de composites particulaires fortement chargés tels que les propergols solides. L'approche (AM) repose en amont sur une schématisation géométrique et cinématique inspirée des travaux de Christoffersen (1983). L'objectif des présents travaux est double : prouver l'applicabilité de l'AM à la viscohyperélasticité (comportement de la matrice des élastomères chargés) et évaluer quantitativement ses performances. Pour traiter le 1er point, l'AM est appliquée à un composite aléatoire à matrice viscohyperélastique, généré numériquement. On montre le caractère direct de la résolution du problème de localisation-homogénéisation grâce à un algorithme opérant dans l'espace-temps réel. Les résultats obtenus sont qualitativement corrects. Concernant le 2ème point, les effets des hypothèses cinématiques propres à l'AM sont testés au travers de comparaisons entre résultats (locaux et globaux) AM et éléments finis (EF) sur des microstructures périodiques (simple et complexe) satisfaisant la schématisation géométrique et pour des comportements de phase hyperélastiques et viscohyperélastiques. Un certain nombre d'atouts et de points d'amélioration de l'AM sont ainsi dégagés. Enfin, un programme transversal de confrontation des estimations à des résultats expérimentaux et à des calculs EF sur un propergol réel est élaboré et mis en œuvre sur un composite énergétique : la butalite 400. Chaque étape –essais sur composite et constituants, caractérisation morphologique par tomographie, maillage EF automatique de la microstructure réelle, détermination des VER (plusieurs centaines de grains) relatifs aux deux méthodes (AM et EF)– est détaillée. De multiples confrontations entre les résultats expérimentaux et les premiers résultats numériques (AM et EF) permettent de préciser les perspectives à entreprendre pour terminer la validation.