Дисертації з теми "Matériaux – Effets des hautes températures – Modèles mathématiques"

Lors du formage des seringues, l'interaction entre le verre et le tungstène de l'outil conduit à des phénomènes combinés d'oxydation et d'usure, et à la contamination de la seringue par le tungstène. Ceci peut entraîner des réactions indésirables avec les solutions médicamenteuses. L'étude de l'oxydation et usure à chaud de l'outil en tungstène a été réalisée dans l'air et dans le verre, dans des conditions statiques et cycliques, lors d'expériences spécifiques et lors du procédé industriel. Couplée à la caractérisation des différents oxydes présents à la surface des seringues, elle a permis de modéliser les phénomènes mis en jeu lors du procédé industriel. Grâce à la compréhension de ces phénomènes, des solutions ont été proposées pour éviter la présence du tungstène dans la seringue
During syringe hot forming, tungsten-glass interactions lead to oxidation and wear of the tungsten tool and contamination of the syringe by tungsten. Direct consequences are unwanted reactions with sensitive medicines I contained in the syringes. Oxidation and wear of the tungsten tool was studied in air and in glass at high temperature, during dedicated experiments and during the syringe forming process. Thanks to the understanding of these phenomena, solutions to avoid contamination of the syringe by tungsten were proposed

Les incendies de tunnels sont des phénomènes violents, à l’évolution rapide qui engendrent la plupart du temps des dommages importants aux personnes et aux biens. La sécurité incendie dans les tunnels routiers est basée sur l’utilisation de modèles empiriques très simplifiés de description de l’évolution de la cinétique de développement de l’incendie. Ces modèles ne prennent cependant pas en compte le type de combustible impliqués dans le phénomène, tels que les polymères constitutifs des enveloppes des véhicules routiers, ni leurs réactivité en phase solide (décomposition thermique). Dans l’optique de faire évoluer la description de l’incendie en fonction des conditions ambiantes caractéristiques d’un tunnel, un modèle prédictif de la décomposition thermique des matériaux a été développé. Ce modèle mathématique a été construit sur la base d’une approche expérimentale à petite échelle faisant intervenir le dispositif du cône calorimètre à atmosphère contrôlée couplé à un spectromètre infrarouge à transformée de Fourrier. Trois matériaux ont fait l’objet d’une étude approfondie de leur décomposition thermique, en fonction de deux paramètres clés influençant la décomposition des solides lors d’un incendie de tunnel : la concentration d’oxygène ambiante et l’éclairement énergétique imposé aux matériaux. Les résultats obtenus pour les trois matériaux choisis (une mousse Polyisocyanurate, un Ethylène Propylène Diène Monomère et un Acrylonitrile Butadiène Styrène) ont été utilisés pour la construction de régressions polynomiales multifactorielles, méthode également connue sous le nom de méthodologie des surfaces de réponses.Le modèle permet de définir la réponse de la cinétique de décomposition (variable expliquée) et son évolution, en fonction de la concentration d’oxygène locale et de l’éclairement énergétique imposé à la surface d’un matériau (variables explicatives). La comparaison des résultats numériques et expérimentaux a alors montré la pertinence de ce type d’approche
Tunnel fires are severe phenomenon whose evolution, usually very fast, can lead to important damages to persons and properties. Tunnel fire safety is based on the use of empirical models, very simplified that describes the evolution of the fire kinetic. Nevertheless, these models does not take into account neither the type of material that are involved in the phenomenon, such as constitutive polymers of road vehicles nor their reactivity in solid phase (thermal decomposition). In order to provide an evolution of the fire description, function of the conditions usually encountered in a tunnel, a predictive model aiming to describe materials’ thermal decomposition has been developed. This mathematical model has been established on the basis of an experimental approach, at small scale, using the Controlled Atmosphere Cone Calorimeter coupled to a Fourier Transform Infrared Spectrometer. The thermal degradation of three different materials (Polyisocyanurate foam, Acrylonitrile Butadiene Styrene and Ethylene Propylene Diene Monomer) has been thoroughly assessed function of key parameters that drives the decomposition process during fire: oxygen concentration and heat flux imposed to the materials. Obtained results for the three materials have then been used to construct multifactorial polynomial regressions, using the methodology known as surface response methodology. The model allows defining the response of the decomposition kinetics (explained variable), function of both the oxygen concentration and the heat flux received at the surface of the material (explanatory variable). Comparisons between numerical and experimental obtained results show the relevance of this approach

La prise en compte de l'effet de la température et en particulier de l'auto-échauffement est un aspect fondamental pour rendre compte de manière précise des caractéristiques électriques des transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGe. L'utilisation de ces composants dans des applications micro-ondes susceptibles d'être exposées à diffférentes températures et fonctionnant pour des fortes densités de courant accentuent énormément ces effets. Par conséquent, une modélisation préscise de ces phénomènes est indispensable. Un modèle dynamique décrivant l'auto-échauffement, caractérisé par une élevation de la température de jonction, a été développé. Une équivalence électrique de ce modèle analytique a été réalisée afin qu'il soit compatible avec des modèles électriques de type SPICE. Un banc de test spécifique pour évaluer le nouveau modèle et extraire ses paramètres a été mis en oeuvre. Dans une deuxième partie, la dépendance en température des différents paramètres qui peuvent intervenir dans un modèle électrique compact et en particulier dans le modèle HICUM a été étudiée
The consideration of the temperature and in particular of he self-heating effect in Si/SiGe heterojunction bipolar transistors is a fundamental aspect to predict in a precise way these electric characteristics. The use of these components in microwaves applications exposes to various tempertaures and strong densities of current, accentuates enormously these effects. Consequently, a precie modelling of these phenomena is necessary. A dynamic model describing the self-heatinng, characterized by a rise in the junction temperature, is developed. An electric equivalence close to the analytical model, compatible with SPICE electric models type, is established. A specific test bench is used in order to evaluate the new model and to extracts its parameters. In a second part, the temperature dependence of the various compact model parameters is studied, in particular in the HICUM model

Les réfractaires électrofondus, qui constituent l’objet de ce travail, appartiennent au système alumine-zircone-silice. Ils sont obtenus par coulée dans des moules à des températures supérieures à 2000°C, rendant très difficile toute instrumentation. De nombreux phénomènes intrinsèques au matériau interviennent lors du refroidissement qui suit la coulée. Parmi ces derniers, cette recherche a essentiellement porté sur la transformation de phase (de tétragonale à monoclinique) de la zircone et aux phénomènes associés (gonflement, plasticité,…).A partir d’essais mécaniques à haute température réalisés en laboratoire, les lois de comportements thermiques et mécaniques ont été caractérisées et modélisées en cours de transformation de la zircone. La plasticité à très bas seuil de contrainte observée a, en particulier, été décrite par une vitesse de déformation dérivée du modèle de Leblond, une fonction de rendement de type Cam-clay sans consolidation et une fonction de rendement définissant l’avancement de la transformation en fonction de la température. Après implémentation dans un code de calcul par éléments finis et validation par confrontation avec des résultats d’essais sous contraintes multiaxiales, ce modèle a été assemblé aux autres composantes du comportement mécanique (fluage, élasticité,…), pour décrire l’ensemble des phénomènes thermomécaniques observés lors du refroidissement.Parallèlement, des coulées de blocs en laboratoire, instrumentées par des thermocouples et des capteurs d’émission acoustique, ont permis de reconstruire par simulation numérique l’évolution du champ de température à l’intérieur de la dalle au cours du refroidissement. L’enthalpie de solidification et celle associée à la transformation de phase, préalablement quantifiée par ATD, ont été prises en compte. L’application du modèle mécanique complet, associant toutes les composantes du comportement, a permis de calculer l’évolution du champ de contraintes généré par les gradients thermiques en fonction du temps et, en particulier, de mettre en évidence le rôle essentiel joué par la transformation de phase sur la relaxation des contraintes
Fused-cast refractories, which are concerned by this work, belong to the alumina-zirconia-silica system. They are obtained by casting in molds at temperatures higher than 2000°C, that make very difficult any instrumentation. Many phenomena intrinsic to the material occur during cooling-down after casting. Among these latter, this research essentially focused on the phase transformation (from tetragonal to monoclinic) of zirconia and the associated phenomena (swelling, plasticity,...).From high temperature mechanical tests performed in laboratory, the thermal and mechanical behavior laws were characterized and modeled during the zirconia transformation. Plasticity at very low stress threshold was observed. A Leblond type model has been extended by introducing a Cam-clay yield function without consolidation. In this model, the progress of the transformation is controlled by the evolution of the temperature. This model was complemented by other components of the mechanical behavior (creep, elasticity, ...). It has been validated by experimental tests under multiaxial loadings that replicate the main thermomechanical phenomena observed during cooling.In parallel, blocks casted in laboratory conditions, instrumented with thermocouples and acoustic emission sensors, allowed a numerical simulation of the change in temperature field within the block during cooling-down. This simulation took into account the solidification enthalpy and the enthalpy associated to the phase transformation, previously quantified by DTA. The implementation of the complete mechanical model integrating all the behavior components led to a calculation of the stress field changes generated by thermal gradients as a function of time and, in particular, to highlight the essential role played by the phase transformation on stress relaxation

La simulation numérique du soudage peut être améliorée par une meilleure connaissance des propriétés thermophysiques des métaux à l’état liquide. Un approfondissement de cette connaissance requiert un dispositif capable de conditionner ces métaux à de très hautes températures en vue de les caractériser. Après un état de l’art sur les techniques de caractérisation adaptées à ces échelles de températures (chapitre 1), ce manuscrit détaille les travaux, principalement expérimentaux, dédiés aux développements d’un dispositif capable d’élever des métaux jusqu’à 2 500 °C (chapitres 3 et 4) et d’un pyromètre à cinq longueurs d’onde pour mesurer cette température (chapitres 2, 4 et 5). Le dispositif chauffe par induction une tour en graphite, le creuset étant placé en son centre, et a été dimensionné via une simulation magnéto-thermique 2D axisymétrique à l’aide du logiciel Comsol Multiphysics®. Parallèlement, le pyromètre a été développé dans le but de mesurer simultanément la température et l’émissivité. En l’absence de corps noir à hautes températures, plusieurs expériences ont été menées pour étalonner ce dernier ; elles ont été basées sur la mesure de la température de fusion/solidification de corps purs. En fonction de leur tenue et pour couvrir la plus large gamme de température possible, les métaux choisis sont le fer, le chrome, ou encore le niobium. Les expériences ont montré l’efficacité du pyromètre et la capacité maximale du dispositif hautes températures lors de la fusion du niobium à environ 2 500 °C. Enfin, le pyromètre a été utilisé lors d’une opération de soudage à l’arc, au cours de laquelle la température a été estimée sur une gamme de 1 000°C – 2 500°C
Welding simulation can be improved by a better knowledge of molten metals thermophysical properties. This improvement requires characterization using a very high temperature apparatus. After portraying a state of the art on characterization technics adapted to this temperature range (chapter 1), this manuscript details works, principally experimental, dedicated to the developments of a device able to heat metals up to 2 500 °C (chapters 3 and 4) and of a five wavelengths pyrometer in order to measure this temperature (chapters 2, 4 and 5). The device heats by induction a graphite tower, the crucible being placed at its center, and has been dimensioned by a magneto-thermal 2D axisymmetric simulation using the Comsol Multiphysics® software. In parallel, the pyrometer has been developed in order to measure both temperature and emissivity. In the absence of a high temperature blackbody, several experiments were carried out for the calibration of it; they were based on the use of the luminance of pure metals at their melting point. In order to cover the largest temperature range possible, chosen metals were iron, chromium, and even niobium. These experiments showed the efficiency of the pyrometer and the maximal ability of the high temperature device during the niobium melting around 2 500 °C. Finally, the pyrometer has been used on an arc welding process, in which temperature has been evaluated over a 1 000 °C – 2 500 °C temperature range

Cette étude se place dans le contexte de réalisation de nouveaux matériaux à bas coût pour l'optique non linéaire. Pour cela, nous avons développé une approche nanocomposite, basée sur la fabrication de films Laponite/LilO3. Ces films sont réalisés à l'aide d'une technologie issue du procédé sol-gel puis recuits pour cristalliser LilO3, matériau optiquement non linéaire, et ils présentent de bonnes potentialités en raison d'une concentration en nanocristaux actifs importante. De plus, la possibilité d'orienter les nanocristaux pendant la cristallisation par l'application d'un champ électrique permet d'obtenir un matériau présentant des propriétés optiques non linéaires comparables à celles des matériaux usuels de ce domaine. Nous avons tout d'abord affine le modèle de structure des films en mettant en évidence l'absence d'intercalation du LilO3 dans l'espace interplaquette. Par la suite, nous avons optimisé le processus de dépôt des films. Nous avons, en particulier, amélioré sa reproductibilité en déterminant les principaux paramètres intervenant durant le process. Nous sommes ainsi parvenus à définir un ensemble de critères permettant la réalisation de films nanocomposites aux propriétés optiques linéaires et non linéaires satisfaisantes. Nous nous sommes attachés à caractériser et modéliser les propriétés optiques linéaires et non linéaires des films. Nous avons cherché à établir le lien entre ces propriétés et la structure des films, et nous avons observé l'influence de la distribution d'orientation des nanocristaux d'iodate de lithium au sein de la matrice de Laponite sur les propriétés optiques non linéaires et pour le guidage. Cette étude, au caractère plus fondamental, a permis de construire des modèles adaptés à ce type de matériaux composites permettant d'interpréter les résultats expérimentaux et de prévoir les indices de réfraction et les propriétés optiques non linéaires de ce type de matériau
This study takes place in the context of new low-cost materials development for non-linear optics. Thus, we have developed a nanocomposite approach based on Laponite/ LilO3 films. These films were realized with a derivating sol-gel technology and annealed to induce LilO3 crystallisation, an optically nonlinear material, and shown good potentials due to the high concentration of nanocrystals. Moreover, the possibility of controlling the nanocrystal orientation using an electric field during the annealing process allows to obtain a material with non-linear optical properties comparable to usual materials in this domain. During this work, we first refined the structure model of composite films by highlighting the absence of LilO3 intercallation between Laponite sheets. Thereafter, we optimized the process of film coating. In particular, we have improved its reproducibility by determining the main parameters involved in the process : pH, viscosity, annealing temperature, Corona electric field. In addition, we showed that aging, which is an important limitation of this process, can be slowed by a protective film coating. Finally, we could define a set of criteria to realize nanocomposite coatings with efficient optical properties. In the second part, we characterized and modelized linear and non linear optical properties of nanocomposite Laponite/ LilO3 films. We linked these properties to the structure of the films, and we observed the influence of the orientation distribution of the nanocrystals in the Laponite matrix on the waveguiding and non linear optical properties. Thus suitable models for composite materials are proposed. They allow the interpretation of experimental results and the evaluation of refraction indices and of non linear optical properties for such materials

Les modes vibrationnels caracteristiques du desordre ont ete etudies par spectrometrie raman basse frequence (5-200 #c#m#-#1) pour des verres de type baryum crown dense. Par traitement thermique, des echantillons de meme composition ont ete stabilises a differentes temperatures de l'intervalle de transformation vitreuse (590-740c). Les modifications de profil et de position du pic boson des spectres raman ont ete analysees en utilisant les vitesses du son mesurees par spectrometrie brillouin. Les resultats sont discutes sur la base de differents modeles recents proposes pour expliquer l'origine du spectre raman basse frequence dans les verres

Les effets du changement climatique à l'échelle planétaire ont déjà des répercussions sur la viticulture et ces changements engendrent des interrogations sur son fonctionnement futur. L'évaluation des modifications possibles sur le vignoble de Champagne, notamment en termes d'extrêmes thermiques dommageables pour la vigne tels que l'aléa gélif printanier et les canicules, présente donc un intérêt pour la profession. Les températures influencent en effet le bon déroulement du cycle végétatif de la vigne et une avancée des stades phénologiques est déjà observée en Champagne. Ce vignoble présente un intérêt particulier du fait de sa position septentrionale mais aussi parce que les analyses y sont facilitées par la densité du réseau météorologique en place depuis près de 20 ans. Pour établir une prospective des conditions thermiques possibles, des sorties des modèles du climat français LMD et ARPEGE-Climat (RETIC) respectivement, à 300 km et 50 km de résolution sont validées et analysées sur une période de contrôle (1950 à 2000). Ils permettent ensuite de donner un aperçu des conditions thermiques et bioclimatiques futures (2001 à 2100) selon trois scénarios de changement climatique, les plus couramment utilisés : A1B, Bl et A2. La période de contrôle permet de mettre en évidence les biais froids des distributions statistiques des sorties de modèles au printemps et en été en termes d'estimation de fréquences d'extrêmes et de choisir le modèle ARPEGE-Climat (RETIC). Les sorties thermiques de ce modèle sont alors utilisées pour évaluer l'évolution jusqu'à 2100 des conditions bioclimatiques et thermiques futures. La fréquence des extrêmes gélifs printaniers au moment du débourrement devrait diminuer en avril mais dans l'hypothèse d'un débourrement plus précoce, ces extrêmes devraient, d'après les modèles, rester importants en mars et provoqueraient un gel accru des bourgeons. Celle des extrêmes chauds estivaux devrait augmenter dans le futur. L'analyse à échelle régionale est complétée par une analyse topoclimatique grâce au modèle à méso-échelle RAMS, qui permet d'obtenir une modélisation spatiale des températures. Incluant les facteurs locaux, ce modèle produit des résultats à résolution de 200 m. Les simulations de validation sont réalisées sur les événements extrêmes gélifs printaniers (du 4 au 9 avril) et caniculaires estivaux (du 4 au 8 août) de l'année 2003, qui a provoqué le gel des bourgeons et l’échaudage des baies et qui est considérée ici comme exceptionnelle et représentative « du climat futur ». Les températures simulées (200 m) sur la Champagne sont comparées aux températures enregistrées par des stations sur les coteaux. Le modèle reproduit bien le cycle journalier des températures avec des biais plus ou moins bien marqués notamment sur les minimas et maximas journaliers
Global climatic change has already consequences on viticulture Worldwide and these modifications imply some questions about future. Evaluation of possible modifications in Champagne vineyard is necessary in terms of thermal extremes for vineyard as spring frost during budbreak and heat-waves. Indeed temperature influences phenological cycle and earlier phenological stages have already been observed. This vineyard is particularly interesting to study because of its northern location and thanks to a large network of weather stations since 20 years. To establish a prospective of thermal possible conditions, data of French climate models LMD and ARPEGE-Climate model, respectively at 300 km and 50 km of resolution, are validated and analyzed on a control period (1950 to 2000). They are also used to give an overview of bioclimatic and thermal future conditions (2001 to 2100) with three scenarios, currently used (A1B, Bl and A2). The control period shows cold biases within statistical distributions of climate models data in spring and summer, in terms of extremes frequencies estimation and better results with ARPEGE climate model. Data of this model are used to assess thermal and bioclimatic futures conditions. Summer extremes could increase in the future while cold spring extremes could decrease during budbreak. Budbreak could be earlier and spring cold extremes in Mardi could cause more severe frost of buds. Regional analysis is completed by a local analysis with RAMS meso-scale model, which downscales simulations at a resolution of 200m, taking into account local factors. The validation modeling is proceeded during the 2003 extreme climatic events (late spring frost and summer heat wave), this year is considered as exceptional and representative of the "future climate" which caused buds frost and berries warming. Simulated temperatures (200 m) for the Champagne vineyard were compared to recorded temperatures by weather stations located within the vineyards. The model reproduced the diurnal cycle of temperatures correctly with biases more or less marked depending dates

Les propriétés mécaniques en fatigue oligocyclique et en traction monotone de l'alliage à base de nickel Udimet 500 ont été étudiées à 700°C pour diverses vitesses de déformation. Les observations microstructurales montrent que les sous-structures de dislocations évoluent très nettement en fonction de la vitesse : globalement, on observe une dissociation des dislocations au fur et à mesure de la diminution de la vitesse de déformation. Cette dissociation des dislocations parfaites en partielles de Shockley conduit à la formation de défauts d'empilement étendus en fatigue et à l'apparition du maclage en traction. Des essais de relaxation ont été conduits après chargement monotone ou cyclique ; dans tous les cas, les volumes d'activation sont petits et ne peuvent être associés qu'à des obstacles très rapprochés ou bien à de la friction de réseau dans la phase (1). Nous proposons une modélisation du comportement cyclique en termes de densités de dislocations (parfaites et/ou partielles), qui montre la possibilité d'existence d'un domaine de sensibilité négative de la contrainte à la vitesse de déformation. Cette modélisation est en accord avec les résultats expérimentaux.

Ce travail de thèse est dédié à la modélisation du thermoformage du verre. Le procédé consiste à déformer une plaque de verre sous l'effet de son propre poids. Posée sur un support et placée dans un four, la température de la pièce augmente et sa viscosité diminue, ce qui permet d'obtenir la forme désirée. Les simulations numériques, qui se basent sur un modèle thermomécanique, doivent permettre de mieux comprendre l'influence, sur le produit final, des différents paramètres d'essai, comme le chargement thermique, la géométrie et le matériau du moule ou encore la forme initiale de la pièce. Pour ce faire, le logiciel commercial Abaqus®, qui utilise une méthode de résolution des calculs par éléments finis, prend en charge les aspects mécaniques et conductifs. En revanche, comme le verre est un milieu semi-transparent, la modélisation du transfert radiatif est complexe et nécessite le développement d'un code se basant sur une méthode de Monte Carlo dite réciproque. La méthode a été validée en deux dimensions sur des cas-tests de la littérature scientifique. Le code a ensuite été implémenté dans le logiciel Abaqus® afin de réaliser des simulations de thermoformage sur moule et en suspension. Le verre est considéré comme un matériau élasto-visco-plastique obéissant à un modèle de Maxwell simple et la thermodépendance de la viscosité est prise en compte par une loi WLF. Une attention particulière a été accordée au modèle radiatif. Différentes hypothèses, issues de la littérature scientifique, sont testées afin de vérifier leur validité dans notre cas d'étude.

Evènement rare, un incendie au sein ou à l’extérieur d’un avion peut avoir des conséquences catastrophiques pour l’intégrité de l’appareil et de ses occupants. Les aéronefs sont donc dimensionnés pour répondre aux nombreuses exigences définies par les Autorités de certification. Le respect de ces exigences doit être démontré au travers d’essais de certification sur des échantillons de dimensions réduites avec des bruleurs standardisés. Dans une démarche de virtualisation d’essais, le développement d’outils prédictifs du comportement thermophysiques des structures composites soumises à un feu est un objectif ambitieux et très prometteur. Face à la complexité des nombreux phénomènes physiques mis en jeux (thermo-dégradation, dégazage, inflammation de gaz de pyrolyse, érosion, etc.), une méthodologie de modélisation incrémentale a été suivie partant de modèles simples pour aboutir au développement d’un modèle 3D du comportement thermochimique du composite T700/M21 soumis au feu. Ce modèle est basé sur une étude phénoménologique du comportement du composite grâce au développement d’un test au feu innovant et maitrisé. En outre, toutes les données d’entrée sont issues de mesure expérimentale de propriétés thermophysiques en utilisant des méthodes de caractérisation existantes et innovantes. In fine, la comparaison des profils de température et de la perte de masse mesurés du composite avec les résultats numériques montre la capacité du modèle à prédire ce comportement au feu
Rare event, an aircraft in fire can lead to disastrous consequences for the integrity of the plane and its passengers. The aircraft are thus dimensioned in order to comply with the large number of requirements defined by the certification Authorities. The respect of these standards has to be demonstrated via certification tests on structure panels of reduced size using standardized burners. In a virtual testing approach, the development of predictive tools of the thermomechanical behaviour of the composite exposed to fire is an ambitious objective and very promising. With regards to the complexity of the many physical phenomena involved in the combustion process (thermodegradation, out-gassing, ignition of gases, erosion, etc.), an incremental modelling methodology has been followed starting with basic model to finally succeed to develop a 3D model of the thermochemical behaviour of the T700/M21 composite exposed to fire. This model is based on a phenomenological study of the behaviour of the composite using a novel versatile fire test which was developed in a totally controlled way. In addition, all inputs are obtained from measurements of thermophysical properties using existing and innovative characterisation methods. In fine, the comparison of the measured temperature profiles and the mass loss of the composite with the numerical results show the capability of the model to predict the fire behaviour of the material

En cours de vol, les hélicoptères bi-turbines peuvent subir un régime d'urgence OEI : un moteur s'arrête, alors que le moteur qui reste en fonctionnement connaît une augmentation de température. Cette problématique a motivé l'étude du comportement en fluage anisotherme du superalliage monocristallin MCNG afin que soient appréhendés les impacts d'une surchauffe à 1200°C sous charge sur son comportement en fluage à 1050°C. Suite à la séquence standard de traitements thermiques, des ségrégations chimiques persistent dans la structure dendritique du MCNG. En particulier, l'élément Re présente la plus grande disparité de concentration : il est majoritairement ségrégé dans les dendrites. Ces disparités de composition engendrent des différences de propriétés physiques et mécaniques (taille de précipitation, misfit, dureté), ainsi que des différences de comportement de la microstructure γ/γ' lors des expositions à haute température avec ou sans chargement mécanique appliqué. En particulier, le misfit plus élevé dans les dendrites, ainsi que la taille de précipitation plus faible, favorisent la dissolution de la phase γ' dans ces zones lors de maintiens à 1250°C. En fluage à 1050°C / 140 MPa, le misfit plus élevé dans les zones dendritiques est à l'origine de la mise en radeaux plus rapide dans ces régions alors qu'après la mise en radeaux, l'évolution de la microstructure γ/γ' est plus marquée dans les zones interdendritiques (déformation locale de γ, désorientation des interfaces γ/γ', épaississement du γ' et inversion topologique). Lors du fluage isotherme à 1050°C / 140 MPa, condition sur laquelle est simulée une surchauffe OEI, le stade tertiaire de fluage couvre 60% de la durée de vie du matériau. Ce comportement macroscopique particulier est attribué à la déstabilisation précoce de la microstructure γ/γ'. Après une surchauffe OEI, le MCNG présente une vitesse de déformation de fluage accrue qui conduit à un abattement de la durée de vie par rapport à la condition de fluage isotherme. Les observations microstructurales montrent qu'un OEI accélère la déstabilisation de la microstructure γ/γ' par rapport à l'isotherme, ce qui précipite le déclenchement du stade tertiaire de déformation. Le comportement du MCNG en fluage isotherme et anisotherme a été modélisé sur la base d'une loi de comportement viscoplastique de type Chaboche, dans laquelle ont été introduites de nouvelles variables internes capables de prendre en compte les évolutions microstructurales.

Les superalliages sont des matériaux clés en aéronautique. Ces matériaux sont utilisés pour la fabrication des pièces des parties chaudes des turboréacteurs d’avion. Les recherches pour une alternative des superalliages à base de Ni avec des caractéristiques supérieurs, ont abouti en 2006 à la découverte d’une nouvelle génération de superalliage à base de cobalt basée sur le système Co-Al-W avec une microstructure γ/γ' similaire aux superalliages à base nickel. Trois nuances d’alliages avec différent ratio Al/W ont été étudiées dans ce travail. L’objectif de ce travail a été dans un premier temps d’étudier l’évolution de la microstructure à 900 °C et de comprendre les mécanismes de transformation et de dissolution de la phase γ'. Pour cela des études en MEB et en MET ont été menées sur des échantillons recuits à 900 °C pendant divers temps. Nous avons montré que la phase γ' est une phase métastable et qu’elle se dissout au profit des phases Co3W et CoAl. Nous avons mis en évidence un mécanisme de dissolution par fractionnement des précipités γ' suivant les plan denses (111) et de fautesd’empilement donnant naissance à la phase D019. Dans un second temps nous avons étudié la cinétique de précipitation dans des alliages faiblement sursaturés. Les stades de germination, de croissance et de la coalescence ont été étudiés en se focalisant sur l’évolution temporelle de la composition des phases γ et γ ׳. Les données expérimentales ont été confrontées aux toutes dernières théories de germination, croissance et coalescence développées pour les alliages multicomposants non dilués, et qui prédisent l’évolution temporelle des compositions des phases γ et γ ׳. Ainsi, nous avons montré que l’évolution temporelle des paramètres cinétiques tels que la taille moyenne et la densité de particules durant la coalescence sont assez prochesde celles prévues par la théorie de coalescence de LSW. Grâce à la sonde atomique tomographique nous avons montré que la composition en W des phases γ et γ' décroit dans le temps. La décroissance de la teneur en W en particulier dans la phase γ' est observée pour la première fois dans ces alliages et elle est due aux effets de capillarité et de couplage des fluxde diffusion. Un très bon accord avec les nouvelles théories de germination, croissance et coalescence dans les ulticomposants a été démontré. Enfin à partir des modèles théoriques et de la base thermodynamique du système ternaire CoAlW nous avons déterminé l’énergie interfaciale dont les valeurs calculées sont comprises entre 30 et 48 mJ/m2
Superalloys are key material in aerospace industry. These materials are used to manufacturing the high temperature part of aeroengines. Currently Ni-based superalloys are the most widely used materials for high temperature applications. Researches for a new generation of superalloys with better properties have lead in 2006 to the discovery of a new stable L12 ordered, Co3(Al,W) phase embedded in the disordered γ-Co solid-solution matrix. This work aims to study the evolution of the microstructure at 900 °C and understanding the mechanism of dissolution and transformation of the γ' phase. Three different alloys with different Al/W ratios are studied here. TEM and MEB analyses are carried out on samples aged at 900 °C forvarious time. We show that γ' is a metastable phase and it dissolves in favor of B2-CoAl and D019-Co3W phases. Moreover, we highlight a mechanism of dissolution by fragmentation along the {111} close packed planes and stacking faults giving rise to D019 phase. We also study the kinetics of precipitation in the low supersaturated alloys.The early stages of precipitation of the γ' phase in a model Co based superalloy have been investigated at 900 °C using electron microscopy and atom probe tomography in the low supersaturated alloys. Nucleation, growth and coarsening stages have been studied with a focus on the temporal evolution of the precipitate composition in the light of recent theoretical developments on phase separation in multicomponent alloys. The experimental data have been confronted to the theories of nucleation and coarsening recently developed for such alloys, which are valid for non-ideal and non-dilute systems, and predict the temporal evolution of both the matrix and precipitate compositions. The rate constant for the mean size evolution of the particles, as derived from experiments, has been compared to the one predicted by the mentioned coarsening theory that accounts for a more accurate description of the thermodynamics of the phases, as compared with more classical approaches. From this comparison the γ/γ' interfacialenergy was derived and found to range between 30 and 48 mJ/m2. The exponents for the temporal evolution of average particles size, number of particles per unit volume were found identical to those for binary alloys during the coarsening regime, as expected, and the temporal evolutions of compositions in both γ and γ' phases were found to evolve as predictedby theory. Indeed, the W content in the particles, measured from atom probe tomography (APT) experiments, was found to significantly decrease with time and the observed evolution is remarkably well described by the theory and therefore is shown to originate from the competition between diffusion and capillarity

Dans ce travail de recherche, on aborde une étude expérimentale et numérique du comportement mécanique des roches argileuses soumis à des chargements mécaniques et à des sollicitations thermiques. L’esprit de cette étude provient de la pratique de l’exploitation des huiles lourdes avec la technique d’injection de vapeur à haute température où les roches de réservoir sont soumises à des sollicitations thermiques et hydromécaniques couplées. L’enjeu est d’étudier le comportement hydromécanique de ces matériaux soumis à des variations importantes de température afin d’évaluer la stabilité mécanique des réservoirs. L’étude expérimentale contient des modifications d'une cellule triaxiale autonome et auto compensé à haute température (250 C°) ainsi que le système de pilotage, le système de mesure et d’étalonnage de déformations. Ces modifications sont importantes pour effectuer des tests hydrostatiques, uniaxiaux et triaxiaux servaient à obtenir une base des données expérimentales, cette base caractérise l’effet thermique sur le comportement mécanique des roches argileuse.Le cadre général de la modélisation est d’abord proposé pour décrire le comportement mécanique d’argilite dans le cas isotrope. Après une analyse détaillée des données expérimentales, un modèle spécifique élastoplastique couplé à l’endommagement est élaboré pour décrire le comportement mécanique. Ensuite l’effet de la température est pris en compte. Les comparaisons entre les simulations numériques et les données expérimentales ont montré la capacité du modèle proposé pour la description du couplage hydromécanique et thermique. Afin de décrire le comportement des roches anisotrope, nous avons proposé une extension du modèle en y introduisant une formulation de tenseur de fabrique Cette formulation est exprimée en termes d'invariants couplé aux tenseurs de contraintes et d’orientation de chargement. Des essais en laboratoire sous différents chemins de sollicitations ont été modélisés, le modèle proposé semble décrire correctement les principales réponses mécaniques des matériaux
We proposed, in this work, an experimental and numerical study of mechanical behavior of shale rocks subjected to mechanical and thermal loads.In the petroleum industry, during the production of heavy oil with the technique of steam water injection at high temperature, the cap rocks are subjected to coupled thermal and hydro-mechanical solicitations. The challenge is to study the hydro-mechanical behavior of these materials subject to large variations in temperature in order to assess the mechanical stability of the reservoir. The experimental study includes the modifications in a triaxial cell in ordre to support a high temperature (250° C). These modifications are very important for hydrostatic, uniaxial and triaxial tests, all these tests are used to obtain an experimental data base characterizing the thermal effect on the mechanical behavior of shale rocks.The modeling framework is proposed at first to describe the mechanical behavior of shale rock in isotropic case. After a detailed analysis of experimental data obtained in the experimental section, a specific coupled elastoplastic-damage model has been developed to describe the mechanical behavior of these shale materials. The effect of temperature is taken into account and a comparison between numerical simulations and experimental data have shown the ability of the proposed model for the description of thermo mechanical coupling. To describe the behavior of anisotropic rocks, we have proposed an extension of the fabric tensor model to present the initial anisotropy of shale rock. This formulation is expressed in terms of invariant stress tensor coupled with loading orientation. Laboratory tests under different stress paths were modeled, the proposed model seems able to describe correctly the main mechanical responses of shale materials

La compréhension des couplages hydro-mécaniques pouvant influencer le comportement mécanique d’un polymère semi-cristallin (PSC) sous forte pression d’eau est à l’origine de ce travail de recherche.Afin de décrire des phénomènes de diffusion d’eau et leurs impacts sur le comportement mécanique du matériau lors d’un chargement multiaxial, l’influence des caractéristiques microstructurales sur le comportement diffuso-mécanique du matériau a été considérée dans la modélisation. Un modèle de comportement mécanique permettant de rendre compte du phénomène de cavitation généré par d’importantes déformations en traction et de l’évolution du comportement mécanique macroscopique vis-à-vis de la pression de confinement est ainsi couplé à un modèle de sorption dépendant de l’état microstructural du matériau. Une représentation multiphasique à différentes échelles est considérée : à une échelle ‘macroscopique’, le polymère cavité sous pression d’eau est assimilé à un milieu poreux constitué d’une phase solide (PSC) et une phase fluide (l’eau saturant les pores). A l’échelle du polymère, le comportement viscoplastique du PSC est modélisé à partir de la thermodynamique des milieux poreux, appuyé dans une représentation mésoscopique de sa microstructure, où le réseau cristallin interagit avec l’amorphe libre.Le modèle couplé a été implémenté dans un code de calcul par Eléments Finis. Les résultats de simulation démontrent la potentialité du modèle proposé, notamment sa capacité à capter des phénomènes de couplage entre la microstructure du matériau, la diffusion d’espèces et l’état de contraintes et déformations locales du matériau, permettant ainsi d’explorer des voies de compréhension des observations expérimentales
Comprehension of the hydro-mechanical coupling affecting the mechanical behavior of a semicrystalline polymer (SCP) under high water pressure was the motivation of this research work.In order to describe the water diffusion phenomenon and its impact on the mechanical behavior of the SCP when multiaxial stresses are applied, the effect of the microstructure on the diffuso-mechanical behavior of the polymer was considered for modeling. A constitutive model including void nucleation and growth induced by large strains, and a dependence of the macroscopic mechanical behavior on hydrostatic pressure, is then coupled with a sorption model depending on the microstructure of the polymer.A multiphase representation at two scales is considered: at a ‘macroscopic’ scale, the cavitated SCP under water pressure is considered to be a saturated porous medium with the SCP as the solid phase, and the water saturating the voids as the fluid phase.At a lower scale, the viscoplastic behavior of the SCP has been modeled from the thermodynamics of porous media based on a meso-scale representation of its microstructure with the crystalline lamellae interacting with the free amorphous.The coupled model was implemented into a finite elements code. The simulation results demonstrate the potential of the proposed model, in particular its capability to take into account coupling phenomena between the microstructure of the material, species diffusion and the local state of stresses and strains which contributes to the comprehension of experimental observations

Les composites 3D C/C sont utilisés, entre autres, comme bouclier thermique dans le domaine aérospatial en raison de leurs propriétés thermomécaniques et de leur résistance à l’ablation à haute température. Si leur comportement macroscopique a déjà été largement étudié par le passé, aucun modèle ne permet actuellement de relier de manière satisfaisante le comportement des constituants au comportement effectif du composite. En particulier, les modèles phénoménologiques ne permettent pas d’anticiper l’effet d’un éventuel changement de constituant. De plus, le rôle des interfaces dans le comportement hors-axe du composite reste à déterminer. L’objectif de ce travail est donc d’établir un modèle multi-échelle du comportement thermomécanique d’un 3D C/C en s’intéressant plus particulièrement au rôle des interfaces à haute température. Ce travail s’articule autour de la caractérisation de la morphologie et du comportement thermomécanique du matériau et de ses constituants. Le développement d’un dispositif original de push-out a notamment permis de mesurer les propriétés des interfaces baguette/baguette et fibre/matrice en température. Ces données expérimentales ont été intégrées à un modèle numérique du matériau à l'échelle mésoscopique. Un modèle de zone cohésive ad hoc a été développé afin de prendre en compte le comportement spécifique des interfaces. Les simulations éléments finis ainsi réalisées ont permis de reproduire avec succès le comportement non-linéaire du matériau de même que l'évolution de ses propriétés effectives avec la température. Ce modèle permet ainsi de relier les mécanismes d’endommagement observés aux échelles inférieures au comportement macroscopique du 3D C/C
C/C composites are used as shield for aerospace applications since they display beneficial thermo-mechanical properties at high temperature, as well as high resistance to ablation. Though the macro-scale behavior was thoroughly studied in the past, no model can efficiently tie the properties of the constituents at the meso-scale to the effective macroscopic behavior. In addition, the phenomenological models proposed so far cannot predict a change in the composition. Besides, the interfaces influence on the out-of-axis mechanical behavior of the composite is yet to be evaluated. Thus, the goal of this work is to build a multi-scale model for the thermo-mechanical behavior of a 3D C/C, with a particular focus on the interfacial properties and its evolution with temperature. This study is based on the morphological and thermo-mechanical characterization of the material and its constituents. An original push-out test device has been developed to conduct high-temperature interfacial characterization at two scales (yarn/yarn and fiber/matrix interfaces). Collected experimental data were used for modeling purposes at the meso-scale. A cohesive zone model has been developed to take into account the specific behavior of the interfaces. Finite element simulations were successfully performed to reproduce the non-linear behavior of the material including the effective properties evolution with temperature. This model allowed to effectively link the damage mechanisms observed atthe lower scale to the 3D C/C macro-scale behavior

Le renforcement par dispersion d'oxydes nanométriques permet, d'une manière générale, d'améliorer la résistance mécanique des matériaux métalliques. Il autorise donc une augmentation de leur température maximale d'utilisation. De nombreux travaux de recherche sont menés au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives sur les aciers ODS, pour Oxide Dispersion Strengthened steels. S'inscrivant dans le cadre du développement du nucléaire civil de quatrième génération, ces travaux ont pour but de qualifier un matériau pouvant être utilisé en tant que matériau de gainage combustible à une température de 650℃. Ce travail de thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des propriétés mécaniques des aciers ODS, en cherchant d'une part à caractériser et à modéliser leur comportement en fluage, et d'autre part à caractériser leur nisotropie de comportement et à en identifier l'origine. Pour cela, de nombreux essais mécaniques ont été effectués entre 20℃ et 900℃ sur une nuance d'acier ODS ferritique de composition nominale Fe-14Cr1W0,26Ti + 0,3Y2O3 . Cette nuance a été élaborée au CEA, par mécanosynthèse puis extrusion à chaud, sous la forme d'une barre ronde. Les résultats obtenus démontrent la grande résistance mécanique à haute température de l'acier ODS étudié. Ils mettent également en évidence une forte dépendance de la ductilité et de la résistance du matériau vis-à-vis de la vitesse de sollicitation. Sur la base des différentes caractérisations expérimentales réalisées, un modèle de comportement macroscopique uniaxial a été développé. S'appuyant sur la description de trois écrouissages cinématiques et d'un terme de restauration statique, ce modèle démontre une capacité remarquable à reproduire le comportement mécanique du matériau en traction, en fatigue, en fluage et en relaxation. Par ailleurs, la caractérisation de l'anisotropie mécanique de la nuance d'acier ODS étudiée s'avère dépendre de la température. Deux modélisations polycristallines différentes ont été mises en place afin de reproduire cette anisotropie de comportement à partir des textures cristallographique et morphologique du matériau. Le désaccord observé entre les prévisions de ces modèles et les résultats expérimentaux conduit à formuler d'autres hypothèses sur la déformation des aciers ODS.