Le matériau étudié dans cette thèse est un alliage d'aluminium 5182 contenant des particules intermétalliques de deux types : Alx(Fe,Mn) et Mg2Si. Au cours du laminage industriel, les particules sont brisées et redistribuées dans le volume de la tôle. Or, les particules intermétalliques contrôlent à la fois l'aspect de surface et la formabilité de la tôle finale.<br />Le travail présenté dans la thèse s'articule autour de deux problématiques : mettre en évidence la distribution volumique des particules intermétalliques dans le volume de la tôle, et caractériser leur forme tridimensionnelle complexe au cours du laminage. Ainsi, des échantillons prélevés à différentes étapes du laminage sont observés par micro tomographie aux rayons X (réalisé à l'ESRF). Les images tridimensionnelles obtenues sont segmentées par la méthode de segmentation multi classe. Elle permet d'extraire chaque type de particule de l'alliage. Une base de donnée contenant chaque particule individualisée est créée. Elle permet de reconstruire l'image binaire du matériau et de travailler particule à particule.<br />La dispersion des particules est mise en évidence par l'étude du graphe des distances et de la covariance. Puis l'analyse de l'érosion linéaire et de la covariance permet de modéliser le matériau par un modèle probabiliste de type schéma Booléen à grains primaires sphériques.<br />Une batterie de paramètres morphologiques caractérise la forme tridimensionnelle complexe des particules. Une analyse en composantes principales est ensuite réalisée pour synthétiser l'information. Dans l'espace obtenu, les particules sont classées en cinq familles de forme. Enfin, leur évolution au cours du laminage est étudiée.

Le soudage par friction malaxage « Friction Stir Welding » est un procédé d'assemblage de pièces en phase semi solide. Le cordon de soudure est obtenu grâce à un outil de révolution composé d'un épaulement et d'un pion. Ce procédé utilise le principe de la conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique par frottement de l'outil avec les pièces à assembler. Ce travail de thèse est une contribution à la modélisation expérimentale et à la simulation numérique de ce procédé permettant de fournir des modèles pour aider à la compréhension des phénomènes thermiques et mécaniques ainsi que les interactions entre les paramètres de soudage. Les études expérimentales sont principalement orientées vers la caractérisation de l'écoulement de matière à l'aide de marqueurs et vers l'optimisation des paramètres du procédé. L'effet de la géométrie de l'outil (outil à pion cylindrique ou outil avec méplats) sur l'écoulement de la matière au cours du soudage est étudié. Pour représenter la géométrie de l'écoulement et prédire les champs thermiques et mécaniques à l'état stationnaire, des modèles formulés sur la base de la dynamique des fluides sont adoptés dans la présente thèse. Deux modèles thermomécaniques sont développés: (1) un premier modèle numérique construit sous Fluent permet d'étudier le comportement thermomécanique et l'écoulement au cours du soudage FSW. Une loi de comportement dépendante de la température et de la vitesse de déformation est utilisée et une discussion sur les conditions de contact entre l'outil et les plaques à souder est présentée. Les résultats de l'écoulement sont comparés avec ceux obtenus expérimentalement dans le cas de suivi des trajectoires de particules de cuivre. (2) un deuxième modèle original basé sur une procédure itérative est mis en œuvre permettant le soudage de plaque de grandes dimensions. En effet, pour une meilleure prise en compte des conditions aux limites thermiques, un modèle thermomécanique construit autour de l'outil de soudage et couplé avec un modèle thermique pour tout le reste du domaine étudié. Ce modèle permet de prendre en compte le transfert de chaleur dans l'outil et dans la plaque support. Les cycles thermiques et la plage de viscosité pour deux alliages d'aluminium (AA7020-T6 et AA6061-T3) sont analysés et comparés avec succès aux résultats expérimentaux. Les efforts et le couple de soudage calculés numériquement sont validés par rapport à la littérature. / The friction stir welding is a process for assembling a semisolid phase parts. The weld seam is achieved by a revolution tool consists of the shoulder and the pin. This process converts the mechanical energy into heat energy by friction of the tool with the parts to be joined.This thesis is a contribution to the experimental modeling and numerical simulation of this process in order to provide models to assist in understanding the thermal and mechanical phenomena and interactions between the welding parameters. Experimental studies are used for the characterization of the material flow with markers and to optimize the process parameters. The effect of tool geometry (cylindrical pin or tool with flats) on the material flow during welding is studied. To represent the flow geometry and predict the thermal and mechanical fields in the steady state, CFD models are adopted in this thesis. Two thermomechanical models are developed: (1) first numerical model is used to study the thermomechanical behavior and flow during FSW. FLUENT is employed to solve the coupled thermal and fluid flow equations. A behavior law depending on temperature and strain rate is used and a discussion on the contact conditions between the tool and the workpieces is presented. The results of the flow are compared with those obtained experimentally in the followed case of trajectories copper particles. (2) A second original model based on iterative procedure is implemented to welding large plates. To take account the correctly thermal boundary conditions, a thermomechanical model built around the welding tool and coupled with a thermal model for the rest of the area studied. This model allows taking into account the transfer of heat in the tool and in the backing-bar. Thermal cycles and the viscosity range for two aluminum alloys (AA7020-T6 and AA6061-T3) are successfully analyzed and compared with experimental results. The loads and torque welding are calculated numerically and validated in the literature.

Le fluage est l'un des phénomènes qui influencent le comportement des conducteurs aériens de transport d'énergie électrique. Il s'agit d'une déformation irréversible qui apparaît dans les structures soumises à des charges mécaniques permanentes. Ce phénomène commence à l'instant où la charge est appliquée et continue, à un taux décroissant, aussi longtemps que la charge et la température sont maintenues. Dans les conducteurs en portée, le fluage se manifeste par l'augmentation de la flèche et la réduction des distances sécuritaires entre les lignes et le sol. D'autre part, la température moyenne des conducteurs, transportant en continue un courant électrique important, peut être largement supérieure à la température ambiante, ce qui influence le phénomène de fluage des câbles. Dans ce cadre, s'inscrit ce projet de maîtrise qui consiste à évaluer l'effet de la température sur le comportement en fluage des conducteurs en mesurant l'allongement des fils qui les constituent. Pour ce faire, un banc d'essai de fluage des câbles a été conçu pour étudier le fluage sur les conducteurs et un banc d'essai de fluage des brins a été utilisé pour déterminer le comportement en fluage des fils. Pour les conducteurs, un essai préliminaire de fluage, de 400 heures, a été effectué sur un conducteur de type AAC (Orchid) pour valider le montage expérimental et vérifier l'effet de la mise en place des brins sur le fluage. Le câble a été testé à 38°C et à 25% de sa résistance à la traction assignée (RTA). Pour les essais sur les brins, les fils d'aluminium 1350-H19 et d'almélec ont été testés en fluage pendant 1000 heures. Les fils ont été soumis à quatre niveaux de température d'opération : 20°C, 38°C, 55°C et 70°C et à quatre niveaux de contrainte : 15%, 25%, 35% et 47% RTA pour l'aluminium et 8%, 15%, 25% et 35% RTA pour les fils en almélec. De plus, des essais de traction sur des fils en aluminium et en alliage d'aluminium ont été effectués pour évaluer l'effet du fluage et de la température sur le comportement mécanique des fils isolés. Ces résultats ont permis d'étudier l'effet de la température et de la contrainte sur le fluage des conducteurs à travers le fluage des fils. À partir des données expérimentales, une loi d'évolution de fluage a été établie et tient compte du taux de chargement et de la température.

Dans un contexte d’optimisation des lignes de production, la maîtrise de la qualité des pièces et des capacités machines est primordiale. Plusieurs études se sont intéressées à la formation des bavures en usinage mais les mécanismes sont encore peu connus, bien qu’un lien fort avec les efforts de coupe soit établi par divers auteurs. Ainsi, la maîtrise des efforts de coupe a un intérêt double : optimiser les lignes de production et servir de donnée d’entrée pour la prédiction de la taille des bavures. Cette étude propose donc de renforcer les connaissances concernant les mécanismes de formation des bavures générées par un outil en sortie matière, et de prédire les efforts de coupe en fraisage grande vitesse, dans l’alliage d’aluminium AlSi7Mg0,3+0,5Cu. Divers mécanismes de formation de bavures sont étudiés en coupe élémentaire. Une nouvelle méthode de mesure in situ permet d’identifier l’influence des conditions opératoires sur l’évolution statistique de critères géométriques caractérisant les bavures générées de façon hétérogène dans le cas de l’alliage étudié, dont le comportement est fortement dépendant de son état de contrainte local ainsi que de sa microstructure. Une analyse des champs de déplacement et déformation par corrélation d’images couplée ainsi qu’un modèle de simulation par éléments finis permettent d’identifier plus finement les mécanismes de formation des bavures. Le surfaçage est étudié pour modéliser les efforts de coupe puis comparer les efforts produits lors de la sortie des dents avec les caractéristiques des bavures obtenues. Enfin, une stratégie de minimisation de la hauteur des bavures en surfaçage à la fraise grande avance est étudiée. / In a context of production lines optimization, parts quality and machine capabilities control is essential. Several studies have been carried out on machining burr formation but the mechanisms are not fully understood, although a strong link between burrs formation and cutting forces is established by several authors. Hence, controlling the cutting forces has two advantages: optimize the production lines and be used as input data for a burr height model. This study proposes to consolidate the knowledge on burr formation mechanisms during the exit of a tooth, and to predict cutting forces during high speed milling of the AlSi7Mg0.7+0.5Cu alloy. Various burr formation mechanisms are studied in orthogonal cutting. A new in situ measurement method allows to identify the statistical influence of some operational conditions on the evolution of some newly introduced geometrical parameters defining the burrs heterogeneously formed in the case of the studied alloy, whose behavior strongly depends on its local stress state as well as its microstructure. A displacement and strain field analysis using Digital Image Correlation, as well as a finite element model provide a better understanding of the burr formation mechanisms. Face milling is studied to model cutting forces and compare the forces produced during the exit of a tooth to the obtained burr morphologies. Finally, a burr height reduction strategy is proposed using a high feed mill.

Cette étude s’attache à caractériser les mécanismes d’endommagement qui mènent à la rupture d'un alliage AlSi7Cu3Mg élaboré par un procédé à modèle perdu sous sollicitations cycliques isothermes à 250°C en condition de plasticité généralisée. Sa caractérisation par micro-tomographie aux rayons X (µCT) a montré la complexité et l'aspect 3D marqué de la microstructure: présence de pores de morphologies complexes de grandes tailles (>1mm) et d'un réseau inter-connecté de particules. Un montage expérimental a été développé pour réaliser des essais de fatigue à haute température suivis in situ par µCT synchrotron. Ces essais ont mis en évidence les interactions entre les fissures et les éléments microstructuraux. Les fissures s'amorcent au cœur des éprouvettes à proximité des cavités de retrait au niveau de particules dures. La propagation des fissures apparaît corrélée à la rupture progressive des particules présentes en pointe de fissure. Ces observations ont été complétées par des essais de fissuration réalisés sur des éprouvettes macroscopiques. Un matériau sans pore (similaire au premier) à été produit pour dissocier le rôle des pores et celui des particules dans la fissuration du matériau. L’influence des pores se révèle du premier ordre pour l’amorçage. Des maillages éléments finis réalistes ont été générés pour réaliser des simulations élasto-viscoplastiques qui ont permis de proposer un critère d’amorçage. Les zones critiques vis-à-vis de l’amorçage de fissures sont celles où l’énergie de déformation inélastique est maximale. Les chemins de fissuration correspondent aux zones localisant les déformations inélastiques et présentant de fortes triaxialités des contraintes. L’ensemble de ces analyses a donc permis de proposer un scénario complet d’endommagement. Enfin, les essais sur éprouvettes macroscopiques ont permis de proposer un modèle pour décrire la vitesse de propagation des fissures et ceci pour les deux matériaux. Ce modèle, facilement utilisable en bureau d’étude, a été validé pour différents niveaux de chargements. / This study aims to characterize the fatigue damage mechanisms that lead to the rupture of a cast aluminum alloy AlSi7Cu3Mg produced by lost foam casting at 250°C under large scale yielding. Its characterization by X-ray micro-tomography (µCT) showed the complexity and the strong 3D aspect of its microstructure: large pores with complex shapes (>1mm) and a network of interconnected hard particles are present. An experimental setup was developed to perform high-temperature fatigue tests monitored in situ by synchrotron µCT. These tests revealed the interactions between cracks and microstructural elements. Cracks initiated, in the bulk, on hard particles located in the vicinity of shrinkage cavities. Cracks propagation appears to be correlated to the progressive rupture of particles present in front of the crack tip. These observations were completed by crack growth tests carried out on macroscopic specimens. A pore-free material (similar to the first) was produced to dissociate the role of pores and particles on the low cycle fatigue behavior of the material. Pores appear to be more critical regarding cracks initiation. Realistic finite element meshes have been generated to perform elasto-viscoplastic simulations which have allowed to propose a criterion for cracks initiation. Critical areas regarding cracks initiation are correlated to areas where the inelastic strain energies are maximum. The crack paths correspond to areas where inelastic strains are located and where the levels of stress triaxiality are high. All these informations allowed to propose a damage scenario. Finally, the tests on macroscopic specimens allowed to propose a crack growth speed model for both materials. This model, easily usable by engineers, have been validated for different loadings.

Ces travaux de thèse traitent des effets des fortes contraintes hydrostatiques sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles des matériaux métalliques. Il s'agit d'étudier, d'une part, l'effet de la contrainte moyenne (et plus particulièrement des fortes contraintes moyennes ou forts rapports de charge) et, d'autre part, l'effet de la biaxialité. Dans une première partie, une campagne d'essais importante est réalisée sur deux matériaux, un alliage d'aluminium de fonderie AlSi7Cu05Mg03 et un alliage d'aluminium corroyé 2024-O. L'effet de la contrainte moyenne et de la biaxialité (dans le cas de chargement de traction biaxiale) sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) des matériaux est caractérisé. Une attention particulière est portée à la description et à l'analyse des mécanismes d'endommagement. Une étude des modélisations existantes dans la littérature est réalisée visant à donner un aperçu sur leurs capacités à prendre en compte les effets des fortes contraintes hydrostatiques. Une modélisation adéquate est ensuite proposée pour le cas particulier de l'alliage d'aluminium de fonderie étudié. Basé sur une approche probabiliste, elle permet de refléter la compétition entre les différents mécanismes d'endommagement locaux observés et de rendre compte efficacement des effets de moyenne et de biaxialité. Les observations conduites sur différents alliages métalliques ont également montré, pour les plus forts rapports de charge, qu'un endommagement généré lors du premier quart de cycle pouvait modifier les conditions d'apparition d'une fissure. Un critère de fatigue basé sur un couplage plasticité-endommagement à l'échelle mésoscopique est alors mis en place. Il rend compte des principales tendances expérimentales notamment celles relatives au chargement de traction biaxiale.

L'objectif de ce travail est d' étudier, au travers d'un essai simple, l'influence des paramètres procédés sur la microstructure et sur le chargement mécanique dans le but de minimiser le risque de fissuration à chaud. Un essai original a été développé consistant à appliquer une précontrainte de traction contrôlée dans la direction de soudage sur une tôle d'alliage d'aluminium 6061 de faible épaisseur, avant de réaliser une ligne de fusion avec le procédé TIG. Des analyses de la microstructure de solidification ont permis d'identifier des longueurs caractéristiques traduisant l'influence des paramètres procédés sur la morphologie des grains. La modélisation de cette microstructure, à partir de données thermiques issues de la simulation numérique, a permis de prédire la microstructure obtenue dans différentes conditions de soudage. L'application d'un critère de fissuration à chaud prenant en compte la microstructure prédite permet d'intégrer l'influence de la morphologie des grains sur la prédiction de l'initiation de la fissuration à chaud. Pour terminer, des solutions d'optimisation du procédé de soudage, vis à vis du phénomène de fissuration à chaud, sont proposées en tenant compte des interactions procédé/ matériau.