Дисертації з теми "Déformations localisées"

On presente une etude experimentale de la localisation de la deformation en bandes de cisaillement dans les materiaux granulaires et une etude theorique de la sensibilite du modele cloe a certains parametres. L'etude experimentale est realisee en deux volets: 1) le premier volet de l'etude concerne le phenomene de la localisation de la deformation au triaxial axisymetrique, avec visualisation quantitative de l'apparition et du developpement de la localisation au cours de l'essai par la methode tomodensitometrique scanner a rayons x. De nouveaux elements ont ete apportes concernant l'influence des conditions aux limites et l'existence d'une densite limite dans les bandes de cisaillement en grande deformation. 2) le deuxieme volet de l'etude concerne la localisation a l'appareil biaxial en deformation plane. On analyse l'influence de quelques facteurs importants (geometrie, granulometrie, compacite) sur l'apparition et le developpement de la localisation en conditions drainees. En revanche, des elements complementaires interessants sont presentes concernant la localisation au biaxial en regime non draine. La partie theorique concerne la prediction de la localisation par la loi de comportement cloe. Une etude de la sensibilite du modele cloe a certaines constantes internes est presentee. Une modelisation des essais de deformation plane non drainee est realisee. Les resultats experimentaux presentes dans le cadre de ce travail constituent une base de donnees d'identification de la loi cloe et en particulier des modules de cisaillement

La plasticite non-associee est un facteur important si ce n'est primordial dans le processus de localisation de la deformation cassante. Un code numerique particulierement adapte a reproduire les comportements mecaniques tres varies des roches nous permet de modeliser efficacement l'initiation et la propagation des deformations localisees a travers la lithosphere. La region de l'Ocean Indien est un cas spectaculaire de flambage lithospherique , accompagne d'une activite sismique intense. Plusieurs modeles analytiques, analogiques et numeriques rendent compte du processus de ambage. On developpe un modele numerique qui pour la premiere fois reproduit le developpement de ambage simultan'avec celui de failles. En utilisant une rheologie elasto-visco-plastique (critere de Mohr-Coulomb et loi de puissance dependant du geotherme), la fracturation di use a ecte d'abord l'ensemble de la lithosphere competente, est suivie de ambage et simultanement de failles qui se localisent progressivement aux points d'inflexion des plis. Les modeles numeriques testes dans ce memoire renseignent sur le comportement rheologique de la lithosphere, en particulier sur l'importance de l'angle de friction interne, qui permet de supporter les de ections liees au ambage. Les contraintes reelles sur les amplitudes montrent une dependance combinee du taux de raccourcissement, de la friction, et de l'epaisseur de la couche inferieure ductile. Des domaines intracontinentaux tels que l'Ouest du Gobi et le centre de l'Australie presentent les caracteristiques d'un ambage d'echelle lithospherique, malgre les heterogeneites pre-existantes. Une modelisation numerique confirme le role de l'age thermotectonique et de la rheologie crustale dans le developpement d'un mode de flambage. La dimension caracteristique des couches qui ambent determine l'evolution du modele vers un epaississement localise et une orogenese. Dans ce cas la lithosphere s'epaissit sous de larges bassins intracontinentaux de tailles comparables a la realite. L'insertion d'un modele d'erosion confirme son role stabilisant dans l'evolution de la topographie, alors qu'en profondeur le ambage est ampli e, et la localisation facilitee. L'elevation du relief obtenu varie de 0.1 a 1mm/an.

Cette etude s'interesse aux conditions d'apparition du phenomene de localisation de la deformation pour une grande variete de materiaux. Une analyse de resultats experimentaux recents nous enseigne que la localisation est un phenomene progressif et s'accompagne de manifestations dynamiques, meme pour des sollicitations lentes. C'est pourquoi le credo de cette etude est de modeliser le comportement mecanique des materiaux comme dependant du temps (elasticite intantanee et non linearites materielles - type plasticite et endommagement - visqueuses) pour rendre compte de cette progressivite, et de considerer la localisation de la deformation comme essentiellement dynamique. En consequence, un critere de transition dynamique est etabli, permettant de predire l'apparition de ces effets dynamiques qui, combines avec les effets de viscosite, permettent de donner naissance a un mode de deformation localise. Cette approche originale de la localisation est illustree sur diverses structures (barre 1d, cube 3d) pour des sollicitations lentes et permet effectivement de rendre compte de la localisation en menant un calcul tout d'abord statique puis, apres verification du critere de transition dynamique, dynamique.

L'objectif de neutralité carbone reposant massivement sur les sources d'énergie renouvelables peut être accéléré en envisageant la séquestration souterraine du CO2 et le stockage souterrain (i) de l'hydrogène produit par l'électrolyse de l'eau à partir d'électricité renouvelable et (ii) du méthane synthétisé produit par la méthanisation. Cependant, l'injection de ces fluides dans des aquifères salins profonds peut déclencher des instabilités locales sous la forme de digitations, qui sont les précurseurs d'instabilités macroscopiques telles que la microsismicité, l'affaissement ou le gonflement du sol. L'interaction entre le fluide injecté, le fluide résidentiel et le milieu poreux hôte est un problème complexe. Pour étudier la réponse d'un squelette solide percolé par un écoulement diphasique instable, une machine originale bi-axiale adaptée aux géo-matériaux partiellement saturés et fournissant un contrôle hydro- mécanique, a été mise en place. Des expériences de drainage ont été menées sur des échantillons de sable saturés en eau et chargés mécaniquement, par injection d'air via une pression capillaire imposée. Un protocol d’essai détaillant les étapes nécessaires à la réussite du test de drainage, allant de la préparation de l'échantillon à l'injection d'air, a été établi. Grâce à un système optique haute résolution, l'infiltration de l’air à travers un ou plusieurs chemins préférentiels dans le milieu granulaire, a été acquise. Le suivi du ou des doigts a nécessité le développement d'un algorithme robuste permettant la détection automatique de l'interface pour l'ensemble des images disponibles. De plus, le réarrangement de la squelette granulaire induit par la percolation du fluide a été quantifié via la corrélation d'images numériques par éléments finis. Le couplage entre la propagation de l'interface et les déformations localisées a été mesuré quantitativement en fonction du chargement mécanique, contrôlé par la contrainte effective. Les résultats ont montré une corrélation entre le chargement mécanique et la percolation hétérogène sous la forme de digitation et de déformations localisées
The goal of carbon neutrality relying massively on the renewable energy sources can be accelerated by considering underground CO2 sequestration and underground storage of (i) hydrogen produced by the water electrolysis from renewable electricity, and (ii) synthesized methane produced by the methanation. However, the injection of these fluids into deep saline aquifers, can trigger local instabilities in the form of fluid fingering, which are precursors of macroscopic instabilities such as micro-seismicity, subsidence or ground swelling. The interaction between the injected fluid, the residential one and the host porous medium is a complex problem. To investigate the response of a solid skeleton percolated by an unsteady bi-phasic flow, an original bi-axial machine adapted to partially saturated geo-materials and providing a hydro-mechanical control, has been set-up. Drainage experiments have been conducted on mechanically loaded water-saturated sand samples by injecting air via an imposed capillary pressure. A testing protocol detailing the steps required to achieve successful drainage test, starting from sample preparation to air injection, has been established. Thanks to a high resolution optical system, the air infiltration through preferential pathway(s) within the granular medium, has been acquired. The monitoring of the propagating finger(s) has required the development of robust algorithm allowing the automatic interface detection for the set of available images. In addition, the skeleton remodeling driven by the fluid percolation has been quantified via finite- element based digital image correlation. The coupling between interface propagation and localized strains has been quantitatively measured as function of the mechanical loading, controlled by the effective stress. The results have shown a correlation between mechanical loading and the heterogeneous percolation in the form of fingering and localized strains

Une tentative de comprendre le rôle des hétérogénéités dans la formation de bandes de déformation dans les sables faiblement cimentés a été réalisée. Les structures de dépôt et les suivant processus de déformation localisé ont été considérés comme hétérogénéités. Il était observé que les hétérogénéités dans les sables artificiellement déposés induisaient une déformation localisée à travers eux, mais ce comportement n'a pas été analysé dans les sables naturellement deposés à cause de la complexité de les extraire sans modifier leur structure.L'étude a été réalisée en utilisant des sables faiblement cimentés de Bédoin (sud de la France), dont les affleurements sont recoupés par des bandes de déformation. De petits morceaux de sable cimenté non perturbé et de bandes de déformation ont été utilisés pour préparer des polished thin sections, tandis que de gros blocs de matériau ont été collectés avec un échantillonneur de terrain innovant pour extraire des échantillons intacts pour des tests mécaniques.L’analyse d’images au microscope électronique a révélé syntaxial quartz overgrowths à l'intérieur et à l'extérieur des bandes de déformation. L'observation du quartz et de l'illitization de la kaolinite dans le dépôt de Bédoin a permis d'étendre la profondeur maximale estimée pour les affleurements de Bédoin à 2 - 3 km.Les essais mécaniques réalisés avec la tomographie informatisée à rayon-X ont révélé que les couches de dépôt développaient un faible degré de cisaillement (0,5 - 1 MPa de pression de confinement). Cependant, la déformation localisée était davantage affectée par d'autres types d'hétérogénéité: d'une part, une région de porosité accrue provoquait la formation d'une bande de cisaillement à travers le pore; d'autre part, un pore allongé entouré d'une épaisse couche de ciment argileux a déplacé la déformation localisée loin du pore. De même, une bande de dilatation préexistante n'attirait pas de déformation localisée mais il réactivait partiellement, montrant une dilatation avec cisaillement.Des essais sur des sables cimentés et non cimentés artificiellement ont été réalisés dans les mêmes conditions que celles appliquées aux sables naturels. Les échantillons cimentés étaient composés du même sable de Bédoin cimenté avec deux teneurs en argile (15% et 20%) fabriqués avec une procédure de cémentation innovant et sans reproduire les hétérogénéités observées dans le matériau naturel. Les échantillons naturels développaient des bandes plus précoces, moins nombreuses et plus pointues que les bandes collées artificiellement, qui développaient des réseaux plus larges de bandes de cisaillement dans les échantillons. La différence de comportement mécanique est attribuée aux hétérogénéités, car aucune d’entre elles s’est effondrée sous compression. Dans les échantillons préparés artificiellement, la teneur en ciment était proportionnelle à la résistance de l'échantillon, mais celle-ci était toujours inférieure à la résistance naturelle des échantillons.La tomographie a rayon-X a été réalisée aussi sur des échantillons de bandes de déformation afin de calculer porosité et perméabilité par traitement d’image. La porosité a indiqué une réduction d'une valeur de 30% dans les sables non perturbés à des valeurs inférieures à 10% dans les bandes de déformation. La porosité dans le noyau de la bande de dilatation était similaire à celle des sables non perturbés, mais ses contours avaient une demi-valeur (environ 15%). Il a été rapporté une réduction de la perméabilité de 3 à 4 ordres de grandeur dans les bandes, alors que la bande de dilatation était d'un ordre de grandeur inférieure, par rapport au sable non perturbé.Il a été démontré que le rôle des hétérogénéités n’avait pas toujours une influence sur la déformation localisée dans les sables cimentés de Bédoin. En l'absence d'hétérogénéités, une localisation moins intense et plus distribuée serait favorisée, par exemple, sous la forme d'un réseau de bandes
An attempt to study the role of heterogeneities in the occurrence of deformation bands in weakly cemented sands was performed. Depositional structures and later deformation processes were considered as heterogeneities. In artificially cemented samples, they were observed to induce localised deformation across them, but this behaviour was not analysed in natural sands due to the complexity of extracting them from the field without altering their structure.The investigation was performed by using weakly clay-cemented sands from Bédoin (Southern France), whose outcrops are cross-cut by deformation bands. Small chunks of undisturbed cemented sand and of deformation bands were used to prepare polished thin sections, whereas large blocks of material were collected with an innovative field sampler and carried to the laboratory to extract intact samples for mechanical testing.From image analysis with Scanning Electron Microscopy of the thin sections, syntaxial quartz overgrowths were found everywhere, in increasing quantity from undisturbed and dilation band, to single-strand, multi-strand, and finally cluster. The observation of quartz overgrowths and of kaolinite illitization, inside and outside deformation bands, has led to extend the maximum burial depth estimated for the Bédoin outcrops to 2 – 3 km.From the mechanical tests performed with syn-deformation X-ray Computed Tomography, it emerged that depositional layers developed a low degree of shear (at about 0.5 – 1 MPa of confining pressure). However, localised deformation was more affected by other types of heterogeneities: on one hand, a region of enhanced porosity triggered the formation of a shear band across the enhanced pore; on the other hand, an elongated pore surrounded by thick clay cement layer moved the localised deformation far from the pore, instead of triggering it close by. Similarly, a pre-existing dilation band did not attract further localised deformation, but it only partially reactivated showing further dilation with shear.In parallel with tests on natural material, tests on artificially cemented and uncemented sands were performed under the same conditions applied to the natural ones. The cemented samples were composed of the same Bédoin sand cemented with two different clay contents (15% and 20%) fabricated with an innovative cementation procedure and without replicating the heterogeneities observed in the natural material. Natural samples showed earlier, fewer, and sharper bands than the artificially cemented ones, which developed broader networks of shear bands in the samples. The difference in mechanical behaviour is attributed to the heterogeneities, which revealed high mechanical resistance since none of them – region of enhanced porosity, elongated pore, pre-existing dilation band - collapsed under compression. In artificially prepared samples, the cement content was proportional to the sample resistance, but this was reported always lower than the natural samples resistance.X-ray Computed Tomography was also performed on some deformation band samples, in order to calculate porosity and permeability through image processing. Porosity reported a reduction from an average of 30% in undisturbed sands to values lower than 10% in single-strand bands and closer to zero in multi-strand bands. Porosity in the dilation band core was similar to that of undisturbed sands, but it reported contours with half value (about 15%). Permeability was reported to reduce of 3 – 4 orders of magnitude from undisturbed sands to single- and multi-strand bands, whereas the dilation band was one order of magnitude lower than the undisturbed sand.The role of heterogeneities was demonstrated to be not always influent on the localised deformation in the cemented sands of Bédoin. In the absence of heterogeneities, less intense and a more distributed strain localisation would be promoted, e.g., in the form of network of bands

L’évolution du champ de localisation des déformations plastiques des métaux ductiles a été suivie par interférométrie de granularité laser (ESPI) au cours d’une sollicitation de traction uniaxiale. Il a été montré que le modèle mathématique utilisé, croisement de deux bandes rectilignes, décrit bien l’évolution du champ de vitesse de déformation depuis la striction diffuse jusqu'à rupture. Les caractéristiques physiques de la localisation, telles que la largeur des bandes, leur orientation et leur vitesse de déformation maximale ont été identifiées quantitativement. Leur évolution a été suivie et analysée sous plusieurs facteurs d’influence, qui sont à la fois microscopiques, tels que la taille de grains et la structure cristalline, et macroscopiques, comme la géométrie de l’éprouvette et la direction de son prélèvement par rapport à la direction de laminage, et la vitesse de traction. Il a été trouvé que les bandes de localisation rétrécissent au cours de la striction et leur orientation évolue également. Ces évolutions, le mode de striction et le moment de transition entre la striction diffuse et localisée sont influencés différemment par ces facteurs
The evolution of the plastic strain localization field of ductile metals was followed by electronic speckle pattern interferometry (ESPI) during a uniaxial tensile test. It was shown that the mathematical model, a system of two crossing straight bands, describes accurately the evolution of the strain rate field from diffuse necking up to rupture. The physical characteristics of the localization, such as the width of the bands, their orientations and maximum strain rates were identified quantitatively. Their evolutions were followed and analyzed from several influencing factors, which are both microscopic, such as grain size and crystal structure, and macroscopic, like the geometry of the specimen and the direction in which the specimen were cut with respect to the rolling direction, and the pulling speed. It has been found that the bands narrow down during the necking process and their orientations were also changing. These evolutions, the necking mode and the transition between the diffuse and localized necking are influenced differently by these factors

.Ce travail de thèse s'intéresse à la caractérisation de la déformation diffuse et localisée dans les grès isotropes et anisotropes sous contrainte de chargement monotone. En particulier, la cinématique de la localisation émergente et continue est étudiée dans une approche à la fois expérimentale, analytique et numérique, explorant l'effet de différentes sollicitations triaxial vrai dans le plan octaédrique.Plusieurs séries d'essais expérimentaux ont été réalisées en laboratoire, au sein d'une cellule de chargement en triaxial vrai (TTA), permettant la mesure de champs cinématiques à haute résolution spatiale et temporelle à la surface de l'échantillon. D'importants développements apportés au court de ce travail de thèse ont permis l'implémentation de modes de chargement par contrôle des invariants du tenseur de contrainte, tout en mesurant les déformations en temps réel par combinaison de jauges de déformation et mesures par corrélation d'images numériques (DIC). Utilisant cet appareil expérimental, deux campagnes d'essais ont été réalisées, mettant l'emphase sur la caractérisation du comportement mécanique d'un grès des Vosges isotrope largement étudié, ainsi que d'un grès des Vosges anisotrope nouvellement étudié. Ce dernier grès ayant été sélectionné pour sa composition matérielle en plans de litage orienté et organisé en couches de différentes porosités. Les séries d'essais mécaniques sur ces grès fournissent un apport important à la compréhension du caractère émergent et évolutif de la localisation, à différents stades du chargement déviatoire. Le caractère unique ce ces essais permet ainsi une analyse comparative approfondie entre la réponse macroscopique en contrainte-déformation et l'analyse des champs cinématiques par la DIC, et par tomographie à rayons X post-mortem. De plus, explorant des chemins de contrainte encore peu étudiés, l'analyse des essais expérimentaux sur le rôle indépendant de la contrainte moyenne, de l'angle de Lode et de l’orientation des plans de litage apporte une contribution novatrice à l'étude du comportement mécanique des roches poreuses. En particulier, la résistance à la rupture du grès, la manifestation de la localisation , ainsi que la transition du comportement ductile sont étudiées sous différentes conditions de chargement.En ce qui a trait au développement analytique, une analyse en bifurcation est proposée pour un modèle original à trois invariants, validé dans le cas des essais expérimentaux obtenus pour le grès isotrope. La pertinence de ce modèle théorique est démontrée pour la prédiction de l'orientation des bandes de cisaillement et de l'angle de dilatance à la rupture.Parallèlement, un modèle double-échelle basé sur l'homogénéisation numérique est présenté. Dans cette approche combinée, un modèle macroscopique en 2D des éléments finis (FEM) est couplé à un modèle microscopique en 3D des éléments discrets (DEM), sur la base d'un volume élémentaire représentative (VER) et dans la cadre d'un système hiérarchique (FEMxDEM) comportant une régularisation par second gradient. Ce modèle est étendu dans la portée des présents travaux pour l'étude des matériaux granulaire cimentés, par le développement d'une loi frictionnelle-cohésive endommageable au niveau de la DEM. Dans une vaste étude numérique de simulations en conditions de chargement triaxial vrai, ce modèle hiérarchique est utilisé afin d'explorer l'effet de différents arrangements granulaire (DEM), ainsi que différentes distributions hétérogènes à l'échelle macroscopique (FEM). En ce sens, deux types d'anisotropies résultant de l'hétérogénéité, définie à chacune des échelles, sont davantage étudiés. La réponse mécanique et la déformation localisée, émergeant du modèle constitutif à l'échelle du VER, démontrent une bonne concordance des comportements mécaniques complexes par rapport aux résultats de l'étude expérimentale
The objective of this doctoral thesis consists in the characterization of diffuse and localized deformations during monotonic loading of both isotropic and anisotropic porous sandstones. In particular, the kinematics of emerging and persistent strain localization structures are investigated in a combination of complementary experimental, analytical and numerical approaches, exploring the effect of different true triaxial loading paths in the octahedral plane.A series of experimental loading tests have been performed in a laboratory environment comprising a high pressure true triaxial apparatus (TTA), which is designed to provide access to full-field measurements of one of the sample surfaces at high spacial and temporal resolutions. Important developments contributed in this work enabled to extend the capabilities for this apparatus to perform invariant controlled loading paths, while acquiring direct strain measurements from a combination of strain gauges and digital image correlation (DIC). Using this apparatus, two experimental campaigns have been realized, focusing on the mechanical characterization of both a well-studied isotropic Vosges sandstone and a newly studied anisotropic Vosges sandstone. The later sandstone has been selected for the organization of its granular fabric in thin bedding plane layers of variable porosity. The results from these series of mechanical loading experiments contribute an original insight into the emergence and development of localized deformation during different stages of loading. A combined analysis is performed on the evolution of the macroscopic stress-strain responses, full-field measurements of incremental strains through DIC, as well as post-mortem x-ray tomography. Additionally, in this investigation exploring rarely considered loading paths, the independent role of the mean stress, the Lode angle and the orientation of the bedding planes is systematically studied according to their respective influence on the material strength, the manifestation of localized structures and the transition towards a ductile behavior of the material.In terms of analytical development, a bifurcation analysis is proposed for a novel three invariant model, validated with experimental results obtained for the isotropic sandstone. This theoretical model, proved to be successful in predicting both the deformation band inclination and the dilatancy angle of the material at failure.In parallel, a double scale model based on numerical homogenization is presented. In this approach, a macro 2D finite element model (FEM) is coupled to a micro 3D discrete element model (DEM) at the particle scale of a representative elementary volume (REV) in the frame of a hierarchical scheme (FEMxDEM), with second gradient regularization. This model is extended in the scope of this work to the study of cemented granular materials, with the development of a frictional-cohesive damageable contact law, implemented at the DEM level. In an extensive series of true triaxial loading simulations, the hierarchical numerical model is used to explore both the influence of different micro-structural arrangements (DEM) and heterogeneities at the sample scale (FEM). In this respect, two types of anisotropies resulting from heterogeneities defined at each scales are further investigated. The mechanical response and localized deformation, emerging from the micro-scale constitutive model, is shown to display significant correspondence with experimental observations in the studied Vosges sandstones.This combination of advanced experimental, analytical and numerical studies contributes a unique insight into important and open questions regarding the mechanical response and deformation processes of cemented granular materials

Nous avons étudié la plasticité d'échantillons massifs ainsi que de films minces auto-portés de GaAs et d'InP à l'aide de techniques d'analyses originales. Sur échantillons massifs, nous avons déterminé par FIB et MET un fort gradient de déformation selon l'axe d'indentation. Nous avons développé et validé une nouvelle méthode d'analyse de la polarité d'échantillons de GaAs (001) par CBED, nous avons ainsi déterminé le type de dislocations contenues dans les bras de rosette. Nous avons indenté entre 350 et 400°C des films de 150-250 µm de GaAs et d'InP (011) pour étudier les effets d'une surface libre sur la plasticité. Pour InP, après avoir montré la conservation de matière déplacée, nous avons modélisé un mécanisme de poinçonnement à travers les films. Nous avons déterminé la cission limite d'écoulement. Pour GaAs, la différence de mobilité entre dislocations  et  conduit à un écoulement dissymétrique à travers l'échantillon et autour des indentations que nous avons modélisé
We have studied the indentation plasticity of bulk samples and self-standing films of GaAs and InP using original analysing techniques. We have determined the strain field along the loading axis by FIB and TEM. We have developed an analysis based on CBED to determine the crystal polarity of (001) GaAs plane views. By this technique, we determined the character of dislocations contained in the asymmetric rosette arms. We performed indentation tests at 350-400°C on (011) GaAs and InP films of thicknesses between 150 and 250 µm in order to study the influence of the free bottom surface. For InP, we have shown that plastic flow is conservative. We have developed a model based on the punching mechanism to predict the critical shear stress by observation of deformed patterns. For GaAs, we have developed a model taking into account the stronger difference mobility between  and  dislocations that leads to an asymmetric gliding mechanism throughout the sample and around the indent site

Les variations morphologiques des membranes biologiques peuvent être initiées aussi bien par les protéines que par les lipides et elles sont à la fois une conséquence et une cause de l’activité de la cellule. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons aux rôles des lipides dans la variation de la courbure locale d’une bicouche lipidique. Dans un premier temps, nous montrons que la variation d’un gradient anisotrope de pH induit la formation de structures tubulaires dynamiques. Nous proposons un modèle théorique d’élasticité basé sur un calcul d’instabilité initiée par la dilatation de la monocouche externe, atteinte localement de la solution chimique, et ralentie par la friction entre les deux feuillets de la bicouche. Dans un second temps, nous proposons un système biomimétique des cristae mitochondriales consistant en une membrane modèle de la membrane interne mitochondriale soumise à un gradient local anisotrope de proton mimant l’activité de la chaîne respiratoire. Nous mettons en évidence l’importance de la cardiolipine, un lipide spécifique à la mitochondrie, dans la formation des structures cristae-like. Dans un dernier temps, nous montrons que l’interaction du peptide Amyloïde β (1-42) avec notre membrane modèle altère ses propriétés mécaniques et inhibe la formation des structures cristae-like.

Cette thèse a visé à comprendre et à recréer artificiellement un mécanisme d'auto-assemblage présent dans la soie d'araignée. Les gouttes de glue microniques qui existent sur la soie d'araignée dîte de capture servent à fournir à la toile ses propriétés adhésives. Ces gouttes jouent pourtant un autre rôle : elles améliorent grandement les propriétés mécaniques de la soie, et permettent de préserver l'intégrité structurelle de la toile. La localisation de l'instabilité de flambage au sein des gouttes de glue, site de surcompression par les ménisques capillaire, implique que ce système de gouttes sur fibre se comporte sous compression comme un liquide, alors que sous tension il possède un régime solide. Les araignées ont donc trouvé un moyen de créer des hybrides mécaniques liquide-solide.La première partie de ma thèse fut dédiée à la caractérisation d'échantillons naturels, qui a permis dans la seconde partie de construire un système entièrement artificiel qui reproduit la soie d'araignée de capture, grâce à des microfibres flexibles longues de plusieurs centimètres. Une simple goutte de liquide mouillant permet la création efficace d'un système semblable aux échantillons naturels. La caractérisation fine de ces systèmes de gouttes sur fibre enroulables a mené à un très bon accord entre les résultats expérimentaux, les simulations numériques et une analogie avec les transitions de phase, notamment pour des propriétés telles que le seuil d'activation, l'existence d'une hystérésis ou encore la morphologie de l'enroulement. Ces résultats ont permis la conception de techniques non conventionnelles dans des domaines tels que les méta-matériaux et la micro-fabrication
This PhD work aimed to understand and recreate artificially a self-assembling mechanism involving capillarity and elasticity present in spider silk. The primary function of the micronic glue droplets that exist on spider capture silk is to provide the spider web with adhesive properties. These droplets play yet another role: the dramatic enhancement of silk mechanical properties, as well as the preservation of the integrity of the web structure. The localization of the buckling instability within the glue droplets, site of over-compression due to the capillary meniscii implies that under compression this special drop-on-fibre system behaves like a liquid, whereas under tension it has a classical elastic spring regime. Spiders have thus found a way to create liquid-solid mechanical hybrids.The first part of my thesis aimed to the characterization of natural samples, which allowed in the second part to build a completely artificial system that mimics the natural samples, through fabrication of centimeter-long micronic soft fibres. The simple addition of a wetting liquid droplet made for an effective system with mechanical properties quantitatively close to that of spider capture silk.Fine characterization of the created drop-on-coilable-fibre systems yielded very good agreement between experimental results and predictions from numerical simulations and a analogy with phase transition, especially for properties such as the threshold for activation, the existence of an hysteresis and the coiling morphology. All those results added up to the design of unconventional techniques in field such as metamaterials and micro-fabrication

La compréhension de l'initiation de la corrosion localisée sur les aciers inoxydables reste à nos jours encore limitée. Dans ce contexte, ce travail a porté sur l'observation in situ par Microscopie à Force Atomique (AFM) de l'initiation de piqûres ou de fissures de corrosion sous contrainte (CSC). Pour cela, une technique originale associant un AFM, une cellule électrochimique et une platine de déformation a été mise au point. Elle permet d'imager in situ sous potentiel et/ou sous contrainte contrôlés les évolutions de la surface d'un 304L. Nous avons ainsi montré que les piqûres de corrosion s'initient préférentiellement au niveau d'imperfections nanométriques de la surface. Pour la première fois, un suivi cinétique de la croissance des piqûres aux échelles nanométriques a été réalisé, corroborant le modèle du "point defect" (vitesse de croissance des piqûres de 0,18 Å.s−1, densité de courant à l'intérieur des piqûres de 73 μA.cm−2). Combiné à l'EBSD ("Electron BackScattered Diffraction"), l'AFM permet d'indexer totalement les systèmes de glissement actifs et de remonter au nombre de dislocations émergées (quelques unités). L'effet aux échelles nanométriques de l'écrouissage sur l'initiation de piqûres a été étudié : nous proposons un modèle simple basé sur les modifications du travail de sortie des électrons par des contraintes locales. Cela explique l'initiation de 70% des piqûres au niveau des zones écrouies. En CSC, les premières observations in situ semblent valider le modèle de Magnin : l'initiation de fissures est observée au niveau de noeuds de concentration de contraintes. Observées après anodisation de nos surfaces de 304L, des nanostructures organisées de cavités nanométriques (période de 50-100 nm) ont été caractérisées. En collaboration avec une équipe de l'INSERM, nous avons montré que de telle surfaces nanostructurées améliorent l'adhésion et la différenciation de cellules osseuses.

Le phénomène de radoucissement d'une roche est étudié à partir de l'observation des modes de localisation des déformations. A partir d'essais de compression triaxiale sur un grès de Fontainebleau, on caractérise à la fois de comportement pré-localisation et la formation des bandes de cisaillement. Les conditions d'essais sont optimisées par un choix adapté de la géométrie de l'échantillon (élancement, taille, forme) et des conditions à l'interface roche-plateau. On montre que le frettage à l'interface modifie l'allure des courbes contraintes-déformations et affecte le mode de rupture. Les caractéristiques de bandes de cisaillement (orientation et épaisseur) sont également modifiées par le frettage. Une technique anti-frettage par lubrification de l'interface est utilisée et validée. L'effet de la présence d'un fluide interstitiel est étudié. On montre que la loi de contrainte effective de Terzaghi est vérifiée dans le cas des essais réalisés en conditions drainées. Les phases de fissuration des échantillons correspondant au seuil de microfissuration, au seuil de dilatance et au seuil de localisation sont identifiées. Le problème du contrôle expérimental de la phase post-pic est également discuté. Les observations de bandes de cisaillement montrent que l'épaisseur et l'angle d'orientation de la bande par rapport à la contrainte principale mineure ont tendance à diminuer quand on augmente la pression de confinement. La microstructure des bandes est étudiée à partir de microphotographies obtenues au microscope électronique à balayage (MEB) et à la loupe binoculaire. L'évolution de la porosité et de la granulométrie dans la zone de localisation est quantifiée. Sous faible pression de confinement, on observe un phénomène de dilatance à l'intérieur et à proximité de la bande caractérisé par une augmentation de la porosité. A forte pression de confinement, on observe un phénomène de dilatance à proximité de la bande et de contractance au co eur de la bande caractérisé par une intense fragmentation des grains et une réduction importante de la porosité. Un modèle de comportement élastoplastique du second-gradient avec écrouissage et radoucissement pour le grès de Fontainebleau est développé. La phase d'écrouissage est étalonnée sur la phase pré-localisation des essais triaxiaux. Le comportement radoucissant est évalué de façon indirecte à partir d'une analyse de l'épaisseur des bandes de cisaillement. (Résumé de l'auteur)

L’IASCC est un mécanisme de fissuration intergranulaire par corrosion sous contrainte (IGCSC) induite par l'irradiation. C’est un phénomène complexe qui peut avoir une influence significative sur le temps et le coût de maintenance des composants internes du coeur des réacteurs à eau pressurisée (REP) et est donc un sujet d'intérêt. Des études récentes ont proposé d'utiliser l'irradiation aux ions (protons) comme une alternative à l'irradiation neutronique afin d’améliorer la compréhension du mécanisme. L'objectif de cette thèse est d’étudier la sensibilité à la fissuration de l’acier austénitique SA 304L irradié aux ions ainsi que les facteurs contribuant à cette fissuration. Deux types d’irradiations aux ions ont été menées (fer et aux protons). Ces deux irradiations ont générées des défauts ponctuels dans la microstructure représentatifs de ceux crées par les neutrons provoquant ainsi le durcissement de l’acier austénitique 304L. Matériel (non irradié et le fer irradié) n'a montré aucune sensibilité à la fissuration intergranulaire sur la soumission à un essai de traction lente SSRT (Slow Strain Rate Test) commencer avec une vitesse de déformation de 5 × 10-8 s-1 jusqu'à 4% de déformation plastique dans un environnement inerte. Il est montré que les deux types d’irradiation aux ions (fer et protons) augmentent la sensibilité à la fissuration intergranulaire du matériau après un essai de SSRT dans un environnement simulé de REP à 340 ° C. La corrélation entre la sensibilité de fissuration et le degré de localisation de la déformation plastique a été étudiée. L’impact de l'irradiation aux ions fer sur l'oxydation du 304L a été aussi étudié grâce à des essais effectués pendant 360 h dans un milieu REP à 340 ° C. Les résultats de cette thèse indiquent que la fissuration intergranulaire de l'acier inoxydable 304L en milieu REP peut être étudiée en utilisant l'irradiation Fe malgré sa faible profondeur de pénétration dans le matériau. Par ailleurs, il est montré que le comportement vis-à-vis de la fissuration est similaire entre une irradiation aux protons et au fer, et ceux malgré une localisation de la déformation moins importante pour ces derniers. Par conséquent, l’irradiation au fer est utilisée pour étudier l'impact de la préparation de surface et des chemins de déformation sur la sensibilité de la fissuration intergranulaire de l’acier 304L
IASCC is irradiation – assisted enhancement of intergranular stress corrosion cracking susceptibility of austenitic stainless steel. It is a complex degrading phenomenon which can have a significant influence on maintenance time and cost of PWRs’ core internals and hence, is an issue of concern. Recent studies have proposed using ion irradiation (to be specific, proton irradiation) as an alternative of neutron irradiation to improve the current understanding of the mechanism. The objective of this study was to investigate the cracking susceptibility of irradiated SA 304L and factors contributing to cracking, using two different ion irradiations; iron and proton irradiations. Both resulted in generation of point defects in the microstructure and thereby causing hardening of the SA 304L. Material (unirradiated and iron irradiated) showed no susceptibility to intergranular cracking on subjection to SSRT with a strain rate of 5 × 10-8 s-1 up to 4 % plastic strain in inert environment. But, irradiation (iron and proton) was found to increase intergranular cracking severity of material on subjection to SSRT in simulated PWR primary water environment at 340 °C. Correlation between the cracking susceptibility and degree of localization was studied. Impact of iron irradiation on bulk oxidation of SA 304L was studied as well by conducting an oxidation test for 360 h in simulated PWR environment at 340 °C. The findings of this study indicate that the intergranular cracking of 304L stainless steel in PWR environment can be studied using Fe irradiation despite its small penetration depth in material. Furthermore, it has been shown that the cracking was similar in both iron and proton irradiated samples despite different degrees of localization. Lastly, on establishing iron irradiation as a successful tool, it was used to study the impact of surface finish and strain paths on intergranular cracking susceptibility of the material

La striction diffuse et localisée sont des phénomènes précurseurs à la rupture ductile et représentent l'une des principales causes de rebut des pièces métalliques au cours de leur mise en forme. La mise en œuvre d'outils théoriques et numériques capables de prédire l'apparition de ces défauts s'avère nécessaire pour des raisons économiques et environnementales. Ces outils nécessitent en partie l'intégration d'un modèle de comportement adéquat permettant de reproduire les phénomènes physiques mis en jeu. Un tel modèle de comportement est ensuite couplé à un indicateur d'instabilité plastique offrant la possibilité de prédire de manière fiable les phénomènes de striction diffuse et localisée. Dans ce travail de thèse, nous avons considéré certains modèles d'endommagement micromécaniques basés sur l'approche de Gurson, et qui ont été couplés à différents critères d'instabilités plastiques reposant sur l'Analyse de Bifurcation. L'implantation numérique des modèles retenus a été réalisée dans le code de calcul par éléments finis Abaqus/Standard. En ce qui concerne les modèles d'endommagement, plusieurs schémas d'intégrations ont été testés afin d'analyser leur performance et leur robustesse lorsque le comportement présente un effet adoucissant. L'approche combinant le modèle de comportement et les critères de striction a été utilisée pour prédire les limites de formabilité en striction diffuse et localisée de plusieurs matériaux métalliques. Les résultats obtenus ont permis de dresser une hiérarchisation théorique et numérique des critères de striction utilisés
Diffuse and localized necking are precursors to ductile fracture, and represent one of the main causes of metal parts rejection during forming operations. The implementation of theoretical and computational tools to predict the occurrence of these defects turns out to be necessary for economic and environmental reasons. These tools require in part the introduction of an appropriate behavior model in order to reproduce the physical phenomena involved during forming operations. Such a behavior model is then coupled to a plastic instability indicator providing the ability to reliably predict diffuse and localized necking. In the present work, we considered a micromechanical damage models based on Gurson's approach, which were coupled to different plastic instabilities criteria, based on Bifurcation Analysis. The numerical implementation of these models was carried within the implicit finite element code Abaqus/Standard. With regard to the damage models, several integration schemes were tested to analyze their performance and robustness when the behavior exhibits softening effect. The approach combining the Gurson's damage model and necking criteria has been applied for the prediction of formability limits of several metallic materials. The obtained results allowed establishing a theoretical and numerical classification between the necking criteria used in this work

Objectifs de la thèse : l’analyse à rupture de structure de type solides et membranes et la modélisation de la rupture quasi-fragile par la méthode des éléments finis à forte discontinuité en cas de solide 2D. Dans ce travail, la méthode de continuation avec une équation de contrainte quadratique est présentée sous sa forme linéarisée. En présence de ruptures locales, la méthode de continuation standard peut échouer. Afin d’améliorer la performance de cette méthode, nous proposons de nouvelles versions plus sophistiquées qui prennent en compte les ruptures locales des matériaux. D’une part, une version est basée sur une équation supplémentaire adaptative imposant une limitation. Cette version est considérée relativement satisfaisante pour les matériaux adoucissants. D’autres versions sont basées sur le contrôle de la dissipation incrémentale pour les matériaux inélastiques. Plusieurs formulations d’éléments finis à forte discontinuité sont présentées en détails pour l’analyse de rupture quasi-fragile. Les approximations discrètes du champ de déplacement sont basées sur des éléments quadrilatéraux isoparamétriques ou des éléments quadrilatéraux enrichis par la méthode des modes incompatibles. Afin de décrire la formation d’une fissure ainsi que son ouverture, la cinématique de l’élément est enrichie par quatre modes de séparation et des paramètres cinématiques. On a également proposé un nouvel algorithme de repérage de fissure pour l’évaluation de la propagation de la fissure à travers le maillage. Plusieurs exemples numériques sont réalisés afin de montrer la performance de l’élément quadrilatéral à forte discontinuité ainsi que l’algorithme de repérage de fissure proposé
The thesis studies: the methods for failure analysis of solids and structures, and the embedded strong discontinuity finite elements for modelling material failures in quasi brittle 2d solids. As for the failure analysis, the consistently linearized path-following method with quadratic constraint equation is first presented and studied in detail. The derived path-following method can be applied in the nonlinear finite element analysis of solids and structures in order to compute a highly nonlinear solution path. However, when analysing the nonlinear problems with the localized material failures (i.e. materialsoftening), standard path-following methods can fail. For this reason we derived new versions of the pathfollowing method, with other constraint functions, more suited for problems that take into account localized material failures. One version is based on adaptive one-degree-of-freedom constraint equation, which proved to be relatively successful in analysing problems with the material softening that are modelled by the embedded-discontinuity finite elements. The other versions are based on controlling incremental plastic dissipation or plastic work in an inelastic structure. The dissipation due to crack opening and propagation, computed by e.g. embedded discontinuity finite elements, is taken into account. The advantages and disadvantages of the presented path-following methods with different constraint equations are discussed and illustrated on a set of numerical examples. As for the modelling material failures in quasi brittle 2d solids (e.g. concrete), several embedded strong discontinuity finite element formulations are derived and studied. The considered formulations are based either on: (a) classical displacement-based isoparametric quadrilateral finite element or (b) on quadrilateral finite element enhanced with incompatible displacements. In order to describe a crack formation and opening, the element kinematics is enhanced by four basic separation modes and related kinematic parameters. The interpolation functions that describe enhanced kinematics have a jump in displacements along the crack. Two possibilities were studied for deriving the operators in the local equilibrium equations that are responsible for relating the bulk stresses with the tractions in the crack. For the crack embedment, the major-principle-stress criterion was used, which is suitable for the quasi brittle materials. The normal and tangential cohesion tractions in the crack are described by two uncoupled, nonassociative damage-softening constitutive relations. A new crack tracing algorithm is proposed for computation of crack propagation through the mesh. It allows for crack formation in several elements in a single solution increment. Results of a set of numerical examples are provided in order to assess the performance of derived embedded strong discontinuity quadrilateral finite element formulations, the crack tracing algorithm, and the solution methods
Doktorska disertacija obravnava: (i) metode za porušno analizo trdnih teles in konstrukcij, ter (ii) končne elemente z vgrajeno močno nezveznostjo za modeliranje materialne porušitve v kvazi krhkih 2d trdnih telesih. Za porušno analizo smo najprej preučili konsistentno linearizirano metodo sledenja ravnotežne poti skvadratno vezno enačbo (metoda krožnega loka). Metoda omogoča izračun analize nelinearnih modelov, ki imajo izrazito nelinearno ravnotežno pot. Kljub temu standardne metode sledenja poti lahko odpovedo,kadar analiziramo nelinearne probleme z lokalizirano materialno porušitvijo (mehčanje materiala). Zatosmo izpeljali nove različice metode sledenja poti z drugimi veznimi enačbami, ki so bolj primerne zaprobleme z lokalizirano porušitvijo materiala. Ena različica temelji na adaptivni vezni enačbi, pri katerivodimo izbrano prostostno stopnjo. Izkazalo se je, da je metoda relativno uspešna pri analizi problemov zmaterialnim mehčanjem, ki so modelirani s končnimi elementi z vgrajeno nezveznostjo. Druge različicetemeljijo na kontroli plastične disipacije ali plastičnega dela v neelastičnem trdnem telesu ali konstrukciji.Upoštevana je tudi disipacija zaradi širjenja razpok v elementih z vgrajeno nezveznostjo. Prednosti inslabosti predstavljenih metod sledenja ravnotežnih poti z različnimi veznimi enačbami so predstavljeni naštevilnih numeričnih primerih. Za modeliranje porušitve materiala v kvazi krhkih 2d trdnih telesih (npr. betonskih) smo izpeljali različne formulacije končnih elementov z vgrajeno močno nezveznostjo v pomikih. Obravnavane formulacije temeljijo bodisi (a) na klasičnem izoparametričnem štirikotnem končnem elementu bodisi (b) na štirikotnem končnem elementu, ki je izboljšan z nekompatibilnimi oblikami za pomike. Nastanek in širjenje razpoke opišemo tako, da kinematiko v elementu dopolnimo s štirimi osnovnimi oblikami širjenja razpoke in pripadajočimi kinematičnimi parametri. Interpolacijske funkcije, ki opisujejo izboljšano kinematiko, zajemajo skoke v pomikih vzdolž razpoke. Obravnavali smo dva načina izpeljave operatorjev, ki nastopajo v lokalni ravnotežni enačbi in povezujejo napetosti v končnem elementu z napetostmi na vgrajeni nezveznosti. Kriterij za vstavitev nezveznosti (razpoke) temelji na kriteriju največje glavne napetosti in je primeren za krhke materiale. Normalne in tangentne kohezijske napetosti v razpoki opišemo z dvema nepovezanima, poškodbenima konstitutivnima zakonoma za mehčanje. Predlagamo novi algoritem za sledenje razpoki za izračun širjenja razpoke v mreži končnih elementov. Algoritem omogoča formacijo razpok v več končnih elementih v enem obtežnem koraku. Izračunali smo številne numerične primere, da bi ocenili delovanje izpeljanih formulacij štirikotnih končnih elementov z vgrajeno nezveznostjo in algoritma za sledenje razpoki kot tudi delovanje metod sledenja ravnotežnih poti

La défaillance des matériaux et structures d'ingénierie peut être considéré comme le résultat d'une interaction complexe entre différents phénomènes physiques tels que la nucléation des cavités, les microfissures, les microvides et d'autres processus irréversibles. Ces micro-défauts se fondent éventuellement en une ou plusieurs macro-fissures conduisant à une diminution de la capacité portante et finalement à une défaillance de la structure considérée. La prévention des défaillances des structures et des composants structurels a toujours été un sujet important et une préoccupation majeure en ingénierie. Cette thèse vise à représenter une défaillance localisée dans des matériaux non linéaires sans dépendance de maillage. Un intérêt particulier sera le cas de l’adoucissement dynamique des déformations. Les phénomènes localisés sont pris en compte en utilisant l'approche des discontinuités embarquées fortes dans laquelle le champ de déplacement est amélioré pour capturer la discontinuité. Sur la base de cette approche, on a d'abord développé un modèle unidimensionnel de barres élasto-plastique capable de représenter une défaillance pour des matériaux ductiles avec un durcissement combiné dans une zone de processus de fracture FPZ et un adoucissement avec des discontinuités fortes encastrées. Les résultats comparant le modèle unidimensionnel proposé aux travaux (semi-) analytiques sont présentés. Il a été démontré que la stratégie proposée offre des solutions indépendantes de maillage. La déformation augmente dans le domaine de l’adoucissement avec une diminution simultanée de la contrainte. Le problème se décharge élastiquement à l'extérieur de la zone d’adoucissement de déformation. L'énergie dissipée se trouve à disparaître. Le modèle a également été comparé à un modèle de dommage unidimensionnel capable de représenter la fracture dynamique de la barre d'endommagementélasto-endommagée dans la zone de traitement de fracture - FPZ et de adoucissement avec de discontinuités fortes encastrées pour trouver un bon accord entre deux modèles. Un modèle d'éléments finis bidimensionnel a été développé, capable de décrire à la fois le mécanisme de dommage diffus accompagné d'un durcissement initial et d'une réponse d’adoucissement ultérieure de la structure. On a analysé les résultats de plusieurs simulations numériques effectuées sur des essais mécaniques classiques sous des charges progressivement croissantes telles que le test Brésilien ou le test de flexion en trois points. Le cadre de dynamique proposé est montré pour augmenter la robustesse de calcul. On a constaté que la direction finale des macro-fissures est assez bien prédite et que l'influence des effets d'inertie sur les solutions obtenues est assez modeste notamment en comparaison entre différentes mailles. Ce modèle bidimensionnel a été étendu plus loin dans le modèle bidimensionnel de discontinuité intégrée en viscodamage pour aider à explorer brièvement la mise en œuvre du schéma de point intermédiaire de second ordre qui peut fournir des résultats améliorés sous limitation de la régularisation visqueuse du modèle de dégâts localisés
Failure of engineering materials and structures can be considered as a result of a complex interplay between different physical phenomena such as nucleation of cavities, microcracks,microvoids and other irreversible processes. These micro-defects eventually coalesce into one or more macro-cracks leading to a decrease in the load-bearing capability and finally, to failure of the structure under consideration. Prevention of failure of structures and structural parts has always been a critical subject and a major concern in engineering. This thesis aims to represent localized failure in non linear materials without mesh dependency. Of special interest will be the case of dynamic strain-softening. Localized phenomena are taken into account by using the embedded strong discontinuities approach in which the displacement field is enhanced to capture the discontinuity. Based upon this approach, a one-dimensional model for elasto-plastic bar capable of representing failure for ductile materials with combined hardening in FPZ-fracture process zone and softening with embedded strong discontinuities was first developed. Results comparing the proposed one-dimensional model to (semi-) analytical works are presented. It was shown that the proposed strategy provides mesh independent solutions. Strain increases in the softening domain with a simultaneous decrease of stress. The problem unloads elastically outside the strain softening region. The strain energy is found to vanish. The model was also compared with a one dimensional damage model capable of representing the dynamic fracture for elasto-damage bar with combined hardening in fracture process zone - FPZ and softening with strong embedded discontinuities to find a good agreement between two models. A two-dimensional finite element model was developed, capable of describing both the diffuse damage mechanism accompanied by initial strain hardening and subsequent softening response of the structure. The results of several numerical simulations, performed on classical mechanical tests under slowly increasing loads such as Brazilian test or three-point bending test were analyzed. The proposed dynamics framework is shown to increase computational robustness. It was found that the final direction of macro-cracks is predicted quite well and that influence of inertia effects on the obtained solutions is fairly modest especially in comparison among different meshes. This two-dimensional model was expanded further into the two dimensional continuum viscodamage-embedded discontinuity model to help briefly explore the implementation of the second order mid-point scheme that can provide improved results under limitation of viscous regularization of localized failure damage model