Le travail de cette thèse consiste à établir une modélisation analytique pour prédire la durée de vie des structures fissurées après une phase de réparation par élimination de la singularité de la fissure : technique de perçage ou du meulage. L’approche utilisée dans cette étude stipule que l’ensemble « fissure/trou » peut être modélisé par un défaut semi-elliptique. La prédiction de la durée de vie est basée sur une méthode permettant de déterminer le nombre de cycles correspondant à l’amorçage d’une fissure de fatigue basée sur un couplage des méthodes « e-N » à la théorie des fissures courtes en tenant compte de la sensibilité à l’entaille en fatigue. Trois méthodes différentes sont utilisées pour déterminer et comparer le facteur de concentration de contrainte élastique Kt : la méthode d’Inglis, la méthode de Creager-Paris et la méthode des éléments finis. Le facteur de concentration de contraintes en fatigue Kf est calculé en utilisant une approche analytique qui tient compte de l’effet de la présence d’une fissure courte en fond d’entaille. Les méthodes «e-N » utilisées dans cette étude sont Morrow élastique, Morrow élastoplastique et Smith Watson Topper. La modélisation analytique a été validée dans le cas d’une plaque en alliage d’aluminium 6082 T6, présentant une fissure de fatigue réparée par le perçage d’un trou dont le rayon est égale à : 1, 2.5 ou 3 mm. Par ailleurs, une application industrielle est traitée numériquement en 3D contenant une fissure ayant subi une réparation utilisant la technique de meulage. Il s’agit de la valve d’une centrale thermique soumise à un chargement thermomécanique. Pour tenir compte de l’effet de l’entaille et prédire la durée de vie à l’amorçage après la réparation, nous avons appliqué la méthode «e-N » couplée dont les paramètres ont été obtenus par la méthode des éléments finis. / This thesis is devoted to establishing an analytical modeling to predict the lifetime of the fissured structures after a repair per elimination of the singularity of the crack: technique of drilling or grinding. The approaches used in this paper stipulate that the unit “crack/hole” can be modelled by a semi-elliptic defect. The prediction of determining the number of cycles which correspond to the restart of a fatigue crack is based on a coupling of the methods “e-N” and the theory of the short cracks. We have used three different methods to determine and compare the elastic stress concentration factor Kt, which are the method of Inglis, the method of Creager-Paris and the method of finite element. The stress concentration factor in fatigue Kf is calculated by using an analytical approach which takes account of the effect of the short crack in bottom of notch. The methods «e-N » used in this study are Morrow elastic, Morrow elastoplastic and Smith Watson Topper. Analytical modeling was validated in the case of a plate out of aluminium alloy 6082 T6, presenting a fatigue crack repaired by the drilling of a hole whose radii is equal to: 1,2.5 or 3 mm. In addition, an industrial application is treated numerically in 3D containing a crack which has been repaired by using the technique of grinding. This valve of a thermal plant subjected to a thermomechanical loading. To take account of the notch effect and to predict the lifetime of the valve, we applied the coupled method «e-N » whose parameters were obtained by the finite element method.

L'objectif de ce travail est une contribution à la compréhension des mécanismes de déformation plastique monotone et cyclique d'un acier duplex (50% [Alpha]-50%[Gamma]) en utilisant la microscopie à force atomique comme technique d'investigation. Les analyses après sollicitation monotone valident le potentiel de la technique AFM et imposent une identification minutieuse des lignes de glissement en fonction de leurs morphologies et dimensions, dans les grains de ferrite et d'austénite. En fatigue oligocyclique à faible variation de déformation, en faisant varier la dureté de la ferrite, nous montrons que la réponse macroscopique à la sollicitation cyclique de l'acier duplex hypertrempé résulte de la contribution effective des deux phases, Alpha et Gamma, contrairement à ce qui est proposé dans la littérature. En réalisant des essais de fatigue à variation de déformation élevée et interrompus à différents pourcentages de la durée de vie, les mécanismes d'amorçage de fissure ont pu être proposés. En fonction de la morphologie des îlots d'austénite, de leur répartition et de leur cohérence cristallographique avec la matrice ferritique, certaines extrusions dans l'austénite peuvent générer des zones de haute rugosité dans la ferrite, à la frontière Alpha/Gamma, qui constituent les sites d'amorçage de fissure dans la phase ferritique. De plus, l'interactivité des deux phases est de nouveau démontrée dans le mécanisme de plasticité cyclique par le transfert progressif de la plasticité de la phase austénitique vers la phase ferritique. L'ensemble des résultats propose que la plasticité cyclique des aciers duplex est accommodée progressivement et de manière interactive par les deux phases Alpha et Gamma. De ce fait, la séparation du comportement en fatigue en régimes différents, concept mettant en avant une activité ou passivité de chaque phase selon la déformation imposée, semble être une approche simplifiée ne reflétant pas nécessairement le comportement réel de ce matériau biphasé. / In order to increase the understanding of monotonic and cyclic plastic deformation mechanisms in multiphase alloys, an intensive research task has been carried out on a Duplex Stainless Steels (DSS-50%α-50%γ) using Atomic Force Microscopy (AFM). After monotonic deformation, AFM investigations of the surface reveal that this technique is especially promising for the plasticity studies of DSS. It allows high detailed characterisation of different types of slip lines, depending of their morphology, dimensions and the analysed phase, austenite or ferrite. Concerning the Low Cycle Fatigue behaviour at low strain range, contrary to earlier works, the comparison of the surface topography between two alloys differing by their ferrite hardness (annealed and aged), suggests that the macroscopic cyclic behaviour of the annealed DSS is a consequence of the mutual contribution of the two phases. Performing interrupted fatigue tests at high strain range, High-Rugged (HR) areas were identified in ferritic grains and near the α/γ interfaces. The formation of HR areas is a consequence of the high surface activity (extrusions) in an austenitic neighbour grain, the relative crystallographic “compatibility” between α/γ grains and the phase distribution. In addition, the close interaction between the two phases was still evidenced, this time as a transfer of the plastic activity from austenite to ferrite. It turns out that, taking into account the whole results set obtained in this work, the cyclic plasticity of the duplex stainless steels could be explained like a progressive contribution of the activity in the two phases and their interactions. Therefore, the utilisation of different regimes depending of the deformation levels, supported by the individually activity or passivity of each phase, appears to be a simplified explanation that does not illustrate the real cyclic behaviour of this material.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans un contexte économique compétitif au niveau des coûts de fabrication et des matières premières utilisées, un procédé innovant de conception et de fabrication des essieux ferroviaires est mis en place. Il consiste à forger des axes creux permettant une réduction significative de la consommation d’acier. Il s’agit d’analyser en quoi ces modifications de conception et de fabrication ont un impact sur la tenue en service et notamment sur la résistance aux sollicitations cycliques pouvant conduire à une rupture par fatigue. Suivant cet objectif, une chaîne numérique a été développée, allant de la simulation du procédé de fabrication jusqu’à l’analyse de la sollicitation cyclique en conditions de service. La première étape est la modélisation du procédé de forgeage afin de prédire les contraintes résiduelles et les déformations plastiques initiales. A partir de cet état de sollicitation, l’opération d’usinage et d’assemblage de la roue sur l’essieu, par frettage, est ensuite simulée afin d’analyser la redistribution des contraintes et des déformations. La dernière étape consiste à obtenir les trajets de sollicitations cycliques issus des sollicitations répétées du service permettant de disposer des données nécessaires pour l’analyse en fatigue. Les difficultés de ce type de simulation résident dans la conservation des états de contraintes et de déformations résiduelles aux différents stades de la simulation et dans la détermination de l’état mécanique stabilisé sous sollicitation cyclique. La méthode développée s’appuie sur la détermination de l’état mécanique asymptotique, permettant d’utiliser un critère de fatigue afin d’évaluer le risque d’amorçage de fissure. / In today’s competitive business environment, it has become increasingly important to reduce manufacturing and raw materials cost. For this purpose, an innovative process of design and manufacturing railway axles is developed. It is based on forging hollow axles, which allows a significant reduction in steel consumption. In this work, we tried to analyze how these modifications induced by the new process and design impact the service behavior and particularly the durability face to cyclic loadings that can lead to fatigue failure. In the present study, a numerical chain has been developed going from the simulation of the manufacturing process up to the analysis in fatigue. In the first step, the forging process is modeled in order to predict the residual stress field and the initial plastic strain. From this initial condition, the assembly operation of the wheel on the axle is simulated before the redistribution of stresses and strains under cyclic load. The final objective is to obtain the cyclic loading paths, in order to provide the data needed for the analysis of fatigue. The difficulties of this type of simulation are not only to keep the residual stress and deformation states at different stages of the numerical chain but also to obtain the stabilized cyclic response of the structure. The method developed is based on an implicit resolution to determine the asymptotic mechanical condition of the structure, which allows the use of a multiaxial fatigue criterion in order to evaluate the crack initiation risk.

Le travail présenté ici a pour but d’évaluer les mécanismes microstructuraux liés à l’amorçage de l’endommagement par fatigue d’un acier à usage pétrolier. Les microdéformations et les contraintes résiduelles (macrocontraintes) ont été déterminées par diffraction des rayons X en temps réel pendant des essais de fatigue en flexion alternée sur des éprouvettes plates prélevées dans la paroi d’un tube neuf. Les microdeformations sont estimées à partir de mesures de la largeur de corde à mi-hauteur (LCMH) d’un pic de diffraction et les contraintes résiduelles à partir du déplacement du pic. Les essais de fatigue sont réalisés pour cinq niveaux de contraintes différents. On observe trois stades de variation pendant l’évolution des microdeformations. On montre que leur amplitude et leur durée sont proportionnelles au niveau de contrainte alternée. Des variations similaires sont observées pour les contraintes résiduelles, avec des durées identiques à celles des microdéformations. Des évolutions dans la densité et la répartition des dislocations ont été observées par microscopie électronique en transmission à l’aide de la technique du faisceau d’ions focalisés. Pour comprendre le rôle de la structure initiale, des essais de fatigue sur éprouvettes recuites ont été réalisés dans les mêmes conditions d’essai. Là encore trois stades d’évolution sont observées mais avec un premier stade inversé du fait de l’état initial du réseau de dislocations. Les résultats obtenus sont très encourageants pour la prise en compte des évolutions microstructurales dans l’établissement d’un futur indicateur de dommage de la phase d’amorçage en fatigue à grand nombre de cycles des matériaux. / The present work aims to evaluate the microstructural mechanisms associated with the initiation of fatigue damage of steels used in the oil and gas industry. Microdeformations and residual stresses (macrostresses) were evaluated by X-ray diffraction in real time during alternating bending fatigue tests performed on flat test pieces taken from a pipe sample. Microdeformations were estimated from measurements of the full width at half maximum (FWHM) of the diffraction peak and residual stresses from the peak displacement. The fatigue tests were performed at five different stress levels. Three stages of changes during the evolution of microdeformation were detected. We show that their amplitude and duration are proportional to the level of alternating stress. Similar variations were observed for the residual stresses, with duration identical to those of the microdeformation. Changes in the density and distribution of dislocations were observed by transmission electron microscopy using the technique of focused ion beam. To understand the role of the initial structure, fatigue tests on annealed samples were performed under the same test conditions. Again, three stages of changes are observed but with an increase of the microdeformations instead of a decrease during the first stage due to the initial state of the dislocation network. The results are very encouraging for the consideration of the microstructural evolutions in the construction of a future counter of fatigue damage initiation in materials.

Ce travail de thèse utilise le cadre de la Coopération Homme-Machine afin d'étudier l'articulation entre le traitement symbolique (interprétatif) du contexte et le traitement subsymbolique de l'intervention d'assistances à la conduite directement sur le volant. Quatre études expérimentales menées sur simulateur de conduite sont présentées.Les deux premières études s'intéressent à la capacité des conducteurs à conserver la totale maîtrise du véhicule lorsque l'assistance intervient ponctuellement sur le volant, en cas de risque imminent de sortie de voie (amorçage haptique). Les résultats montrent que seuls les temps de réaction des conducteurs sont entièrement déterminés au niveau sensori-moteur, les processus symboliques intervenant très tôt pour inhiber ou moduler la réponse motrice. Les deux dernières études s'intéressent à la Coopération Homme-Machine lorsque l'intervention de l'automate sur le volant est continue (contrôle partagé). Le degré de partage entre les deux agents et l'adaptation à l'assistance sur le moyen terme ont été étudiés. Les résultats permettent de conclure qu'il est possible d'intégrer efficacement l'intervention des automatesdans les boucles de contrôle sensori-motrices à condition que cette intégration respecte certaines précautions. Il s'agira notamment de calibrer finement le degré d'intervention ou la temporalité d'intervention dans ces boucles.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail de thèse utilise le cadre de la Coopération Homme-Machine afin d’étudier l’articulation entre le traitement symbolique (interprétatif) du contexte et le traitement subsymbolique de l’intervention d’assistances à la conduite directement sur le volant. Quatre études expérimentales menées sur simulateur de conduite sont présentées.Les deux premières études s’intéressent à la capacité des conducteurs à conserver la totale maîtrise du véhicule lorsque l’assistance intervient ponctuellement sur le volant, en cas de risque imminent de sortie de voie (amorçage haptique). Les résultats montrent que seuls les temps de réaction des conducteurs sont entièrement déterminés au niveau sensori-moteur, les processus symboliques intervenant très tôt pour inhiber ou moduler la réponse motrice. Les deux dernières études s’intéressent à la Coopération Homme-Machine lorsque l’intervention de l’automate sur le volant est continue (contrôle partagé). Le degré de partage entre les deux agents et l’adaptation à l’assistance sur le moyen terme ont été étudiés. Les résultats permettent de conclure qu’il est possible d’intégrer efficacement l’intervention des automatesdans les boucles de contrôle sensori-motrices à condition que cette intégration respecte certaines précautions. Il s’agira notamment de calibrer finement le degré d’intervention ou la temporalité d’intervention dans ces boucles / The work in this thesis employs the Human-Machine Cooperation framework to study the relationship between symbolic (interpretive) processing of the context and subsymbolic processing of the intervention of driving assistance devices that act directly on the steering wheel. Four experimental studies on a driving simulator are presented.The first two focus on the ability of drivers to remain in full control of the vehicle when the assistance occasionally intervenes on the steering wheel, in case of imminent risk of lane departure (haptic priming). The results show that the driver’s reaction times are fully determined at the sensorimotor level. However, symbolic processes are involved as well at a very early stage to inhibit or modulate the motor response. Two other studies focus on Human-Machine Cooperation when the intervention of the device is continuous (shared control). The optimal level of shared control and the medium-term adaptation of the driver to the automation are studied. The results show that it is possible to effectively integrate the intervention of automation into the drivers sensorimotor control loops. However, successful integration requires respecting certain constraints, such as the fine calibration of the level of automation and the timing of the intervention

Les modèles sensorimoteurs de la cognition envisagent les connaissances comme des patterns neuronaux distribués sur l’ensemble du cerveau incluant les aires sensorielles. Différents travaux ont confirmé que l’accès à des connaissances associées à une couleur (e.g., banane) recrute un réseau neuronal similaire à celui impliqué dans la perception des couleurs. En conséquence, il est possible que l’utilisation de structures communes implique une interaction entre l’accès aux connaissances et la perception de la couleur. Pour mettre à l’épreuve cette hypothèse, la procédure utilisée consistait à présenter rapidement une amorce impliquant une simulation de la couleur (e.g., dessin d’une banane en noir et blanc) suivie d’une cible de couleur congruente (jaune) ou non (vert) sur laquelle les participants devaient réaliser un traitement perceptif (i.e., tâche de discrimination chromatique). Nous nous attendions à observer un amorçage perceptif de la couleur. Nous avons réalisé sept expériences au cours desquelles nous avons fait varier différents facteurs comme le type d’amorces (images, mots), le SOA ou encore le type de tâches perceptives. Les résultats obtenus montrent que la simulation de la couleur peut influencer la perception à un niveau perceptif, du moment que la tâche sur les cibles nécessite uniquement un traitement perceptif et que le lien de congruence amorce/cible est manipulé au niveau précis des teintes. Sinon, l’amorçage obtenu semble être de nature lexicale. Nous discutons de l’implication de ces résultats pour (i) l’interaction connaissance/perception, (ii) la nature des processus impliqués dans la perception des couleurs et (iii) dans la représentation mnésique des couleurs. / Sensorimotor models of cognition consider knowledge as neural patterns distributed over the entire brain, including the sensory areas. Various studies have confirmed that access to knowledge associated with a color (e.g., banana) recruits a neural network similar to that involved in color perception. Consequently, it is possible that the use of common structures involves an interaction between access to knowledge and perception of color. To test this hypothesis, the procedure used was to quickly present a prime involving a simulation of the color (e.g., A black-and-white line drawing of a banana) followed by a congruent target color (yellow) or not (green) on which participants were asked to perform a perceptual processing (i.e., color discrimination task). We expected to observe a perceptual priming of color. We conducted seven experiments in which we varied different factors such as the type of primes (pictures, words), the SOA or the type of perceptual tasks. The results show that simulation can influence color perception at a perceptual level, as long as the task on the target requires only perceptual processing and the congruency link between prime and target is handled at the level of specific hues. Otherwise, the priming obtained seems to be of a lexical nature. We discuss the implications of these results for (i) the knowledge/perception interactions, (ii) the nature of the processes involved in color perception and (iii) in the mnemonic representation of colors.

Les sports d'hiver regroupent un ensemble d’activité très répandus en France et dans le monde. Chaque année, les secouristes réalisent environ 50 000 interventions suite à des blessures sur les domaines skiables Français. Dans ce contexte, des campagnes de sensibilisation sont mises en place afin de diminuer l’adoption de comportements à risque sur les pistes de ski.Afin de renforcer ces campagnes, nous proposons d’utiliser les techniques d’amorçage développées en psychologie sociale. La technique développée consiste à réexposer les pratiquants à une amorce issue d’une affiche, à laquelle ils étaient préalablement exposés, préconisant de ralentir afin de diminuer leur vitesse sur les pistes. Plusieurs modérateurs impliqués dans la prise de risque ont été envisagés, à savoir la personnalité (recherche de sensation et impulsivité), l’autorégulation émotionnelle (fuite et évitement), le système nerveux autonome (représenté par le tonus vagal) et le risque objectif de se blesser.Dans trois études de laboratoire, nous montrons l’efficacité de la procédure d’amorçage afin de diminuer la prise de risque liée à la vitesse en ski. Parmi les principaux résultats, nous montrons que la recherche de sensation et le tonus vagal sont des facteurs modérateurs de la susceptibilité à l’amorçage. Nous montrons également, et de façon inattendue, la sensibilité particulière à l’amorçage d’un message de nature relaxante pour réduire la prise de risque en contexte de sports d’hiver.Deux études en situation écologique ont aussi été réalisées pour tester la procédure directement sur une piste de ski. Nous confirmons avec ces deux études que la réexposition à une amorce issue d’une affiche permet de réduire significativement la vitesse, particulièrement l’après-midi lorsque le risque de blessure est élevé.Ces travaux dans leur ensemble montrent que la procédure d’amorçage est efficace pour réduire la vitesse en sports d’hiver. La recherche de sensation, le système nerveux autonome et le risque objectif de se blesser devraient également être pris en compte dans la conception des campagnes de sensibilisation basée sur notre procédure d’amorçage. En conclusion, ces travaux sont les premiers du genre à avoir développé et testé une procédure originale de prévention afin de réduire la prise de risque en sports d’hiver. / Winter sports include a wide range of activities in France and around the world. Each year, rescuers perform about 50 000 intervention on French ski areas. In this context, prevention campaigns are developed to reduce risk behaviors on ski slopes.To enhance these campaigns, we propose to use the priming techniques. The technique consists in re-exposing skiers to a prime from a poster including a message advocating to slow down (to which they were previously exposed) in order to decrease the speed on ski slopes. Moderators involved in risk-taking were also considered, namely personality (sensation seeking and impulsivity), emotional self-regulation (escape and avoidance), autonomic nervous system (represented by vagal tone) and objective risk to injury.In three laboratory studies, we show the effectiveness of the priming procedure in order to reduce the risk-taking associated with speed in skiing. Among main results, we show that sensation seeking and vagal tone are important factors in susceptibility to the priming. We also show an unexpected result on the priming of a relaxing message to reduce the risk-taking in winter sports.Two ecological studies were also carried out to test the procedure directly on a ski slope. We confirm with these two studies that re-exposure to a leader from a poster significantly reduces speed, particularly for afternoon with a high risk injury.This work shows that the priming procedure is effective to reduce the speed in winter sports. The sensation-seeking, the autonomic nervous system and the objective injury risk should also be taken into account in the design of prevention campaigns based on our priming procedure. This work is the first to have developed and tested an original procedure to reduce the risk taking in winter sports.