La corrosion des armatures constitue la principale cause de dégradation des ouvrages en béton armé, et occasionne des coûts élevés de maintenance/réparation. Pour prévenir ce problème sur ouvrages neufs, une solution consiste à renforcer les structures en béton par des armatures non-métalliques de type Polymère Renforcé de Fibres (PRF), généralement à base de fibres de verre, de carbone ou d'aramide. Il existe aujourd'hui plusieurs textes réglementaires consacrés aux armatures PRF, notamment aux USA, au Canada et au Japon, et de nombreux ouvrages en béton armé par barres en PRF ont d'ailleurs été construits dans ces pays. Cependant, si l'utilisation de ces nouvelles armatures semble à priori prometteuse, elle suscite encore des réserves de la part des maîtres d'ouvrages, notamment en France. Il subsiste en effet des incertitudes sur le comportement à long terme des structures renforcées par PRF, et plus particulièrement sur la durabilité en milieu alcalin des armatures à matrice vinylester ou époxy renforcée par des fibres de verre (PRFV), qui sont actuellement les plus utilisées, ou encore sur le vieillissement de l'interface PRF/béton. Dans ce contexte, la présente étude vise à développer pour la première fois en France, un ensemble de méthodologies permettant, d'une part, de caractériser les principales propriétés physiques, mécaniques et d'interface des différentes armatures en PRF disponibles sur le marché, mais également d'évaluer la durabilité d'armatures en PRFV (les plus représentatives du marché) et de l'interface PRFV/béton à travers des procédures pertinentes de vieillissements accélérés. La première partie de l'étude a donc été consacrée à la caractérisation physique et mécanique d'une sélection d'armatures du commerce, confectionnées à base de fibres de verre, de carbone ou d'aramide, et au comportement mécanique de l'interface entre ces PRF et le béton. Outre la caractérisation microstructurale des PRF par techniques de microscopie et d'analyse thermique, la mise en place de dispositifs d'essais de traction et de flexion 3 points à appuis rapprochés (Short-beam test) a permis d'accéder respectivement aux propriétés mécaniques en traction (module d'élasticité, résistance) et à la résistance au cisaillement inter-laminaire des armatures. Des essais spécifiques d'arrachement (Pull-out) ont ensuite permis d'évaluer l'influence de différents paramètres (type de fibre, diamètre et géométrie de surface des barres) sur le mécanisme de transfert d'effort à l'interface armature/béton. Une grande originalité de l'approche proposée réside dans l'instrumentation d'une partie des corps d'épreuve par des capteurs de déformation à fibre optique disposés au niveau de l'interface armature/béton ; ce dispositif de mesures réparties permet d'accéder à des informations locales comme le profil des déformations de traction de l'armature, et d'en déduire la longueur d'ancrage des différentes armatures dans le béton. En complément de l'étude expérimentale précédente, un travail de modélisation analytique et numérique a été initié en vue de simuler les essais d'arrachement et d'appréhender plus finement les mécanismes d'interface mis en jeu entre l'armature et le béton lors de ces essais. Dans cette optique, un modèle analytique d'interface a tout d'abord été proposé, puis introduit dans un modèle aux éléments finis (modèle d'endommagement de zones cohésives). Enfin, un protocole de vieillissement accéléré a été appliqué à des barres en PRFV seules ou noyées dans un milieu cimentaire. Les caractéristiques résiduelles des armatures et des interfaces ont été évaluées à différentes échéances de vieillissement (jusqu'à 240 jours). Hormis une diminution des propriétés mécaniques des barres soumises à une immersion directe en solution alcaline, cette condition pouvant être considérée comme très sévère par rapport aux conditions de service, il n'a pas été observé de dégradation des propriétés d'adhérence PRF/béton par rapport à l'état initial / Corrosion of the steel reinforcing bars (rebars) is the main process involved in the degradation of reinforced concrete (RC) structures, and has large repercussions on the maintenance/reparation expenses. To prevent such degradations on new infrastructures, the use of corrosion-free reinforcements, such as Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars based on glass, carbon or aramid fibers, is gaining interest. Specific guidelines are already available in several countries (USA, Canada or Japan for instance), that define the design principles and good practices for this type of internal rebars; beside, many FRP RC structures have been built and are in service in these countries. Although the development of these new reinforcing bars is quite promising, infrastructures owners are still reluctant for their wide-scale use, especially in France. There are still major concerns regarding the long term behavior of FRP RC structures, and more particularly, the durability of glass fibers reinforced polymers (GFRP) when subjected to an alkaline environment, and the ageing behavior of the GFRP/concrete bonding as well. In this context, the present study aims at developing for the first time in France, a set of methodologies that allows : to characterize the main physical/mechanical properties of different types of FRP bars from the marketto assess the durability of GFRP bars (the most common type of bar) and their interface with concrete through relevant accelerated ageing procedures. The first part of this study was thus devoted to the physical/mechanical characterization of a selection of commercially available FRP rebars, based on glass, carbon or aramid fibers, and to the mechanical behavior of corresponding FRP/concrete interfaces. Beside the microstructural characterization of the various FRP materials by microscopy and thermal analysis techniques, tensile and short beam tests were developed in order to determine the tensile properties (Young's modulus and strength) and the interlaminar shear strength (ILSS) of the bars. Specific pull-out tests then made it possible to evaluate the influence of several parameters (type of fibers, diameter and surface geometry of the bars) on the mechanism of load transfer at the bar/concrete interface. A main originality of the proposed approach relied on the instrumentation of several test bodies by optical fiber strain sensors, which were installed along the bar/concrete interface. Such a distributed measurement system provided local information in the form of tensile strain profiles of the bars along the interface, and made it possible to determine the effective transfer length of the various types of FRP bars. As a complement to the previous experimental study, an analytical and numerical modeling work was initiated to simulate the pull-out tests and investigate more closely the interfacial mechanisms involved in the FRP bar/concrete bond behavior. In this line, an improved interface model was first proposed, which was then implemented in a finite element model (cohesive zone model formulated in the context of damage mechanics).Finally, an accelerated ageing protocol was developed and applied to the GFRP bars, either alone or embedded in a concrete medium. The retention properties of both bars and interfaces were determined after various periods of exposure (up to 240 days). Except a drop of tensile properties observed for GFRP bars that were directly immersed in an alkaline solution, which is considered as a very severe environment compared to actual service conditions, no significant loss of interfacial properties was detected on aged specimens compared to the initial state

Le "gold-standard" du traitement chirurgical des scolioses est l'arthrodèse, qui consiste, à l'aide d'une instrumentation adaptée, à corriger et redresser les déformations scoliotiques, puis fusionner les vertèbres du segment pathologique afin de consolider la correction réalisée. Cette fusion entraine la destruction de la biomécanique physiologique du rachis, en supprimant sa mobilité et sa croissance. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse portent sur le développement et la validation d'un nouveau concept d'instrumentation rachidienne ayant pour objectifs de réduire voire d'arrêter l'évolution des déformations rachidiennes, en conservant croissance et mobilité. Ce nouveau dispositif a nécessité une étude biomécanique large, partant du concept nouveau de cet implant, passant par la mise au point d'une méthodologie expérimentale, la conception et la réalisation de prototypes, puis leur validation à travers des études numériques, mécaniques, tribologiques et in vivo sur gros animal. La caractérisation in vitro du dispositif porte sur des essais mécaniques de caractérisation de matériau et des essais tribologiques de caractérisation du frottement. La caractérisation in vivo consiste en deux études menées sur gros animal, le modèle de porc Landrace, une première sur l'étude de l'arrachement de vis pédiculaires, puis une seconde, de validation de concept, avec 2 mois d'implantation du montage. Les premières conclusions tirées de ces travaux sont positives quant au bon fonctionnement du système. Des études en cours et à venir permettront de compléter ces résultats, et de valider le système dans son ensemble, afin de permettre sa future mise sur le marché. / The "gold standard" of surgical treatment of scoliosis is arthrodesis, which, with an appropriate instrumentation, corrects and straightens the deformities and fuses the vertebra of the pathologic segment to consolidate the correction. This fusion leads to the destruction of the physiological biomechanics of the spine, destroying growth and mobility. The work done in this thesis focuses on the development and validation of a new concept of spinal instrumentation which objectives are to reduce or even stop the development of spinal deformities, maintaining growth and mobility. This device is composed of materials used in new ways, leading to friction issues that do not exist in the current spinal systems. Thus, the system required a large biomechanical study, starting from the new concept of this implant, carrying on the development of an experimental methodology, designing and prototyping and then validation through numerical, mechanical, tribological and large animal in vivo studies. In vitro characterization of the device involves characterization of material through mechanical tests, and characterization of the tribological behavior of the system. In vivo characterization consists of two studies on large animal, the Landrace pig model : a first one on pedicle screws pullout, and a second one with 2 months of implantation, to validate the concept. The initial findings from this work are positive about the correct behavior of this system. Ongoing and future studies will complement those results, and validate the system as a whole, to allow future marketing.

Ce travail concerne l'étude de l'intégrité des matériaux ou des structures assemblées en s'intéressant à la modélisation du mécanisme de rupture à l'aide des modèles de zones cohésives (MZC). Cette approche présente l'avantage d'incorporer une longueur caractéristique dans la description de la rupture, ce qui permet notamment d'évaluer des effets de taille. Trois paramètres caractérisent ces MZC : la contrainte de traction Tmax à laquelle l'interface ou le matériau peut résister avant d'amorcer sa décohésion, l'ouverture critique à partir de laquelle une fissure est créée localement et finalement une loi traction-ouverture qui décrit la répartition des efforts cohésifs selon le mécanisme opérant.L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les paramètres cohésifs caractérisant la rupture interfaciale dans un joint de colle ou cohésif dans un matériau. Pour cela, une première étape était d'élaborer un modèle analytique, décrivant correctement la cinématique d'un essai DCB ou Wedge, pour caractériser la rupture mode I. Bien que le mode d'ouverture soit opérant, le champ de déplacement au voisinage de l'entaille n'est pas K-dominant pour ces essais, du moins pas toujours. Plusieurs lois de traction-ouverture ont été considérées afin d'étudier leur influence sur la réponse locale et globale de l'essai. Une méthodologie d'identification inverse a été proposée à partir d'un modèle analytique, qui consiste à extraire les paramètres cohésifs en minimisant l'erreur au sens des moindres carrés entre les déflections analytique et numérique. Une fois validée, elle a été par la suite appliquée à un cas réel, qui est l'essai d'insertion de lame. La mesure du champ de déplacement expérimental est possible grâce à une mesure du champ de déplacement par corrélation d'image.Une analyse approfondie a été aussi consacrée à l'étude de la "Process Zone" pour un essai DCB ou Wedge. Cette étude met en évidence la variation de Lcz en fonction de la géométrie des éprouvettes, des propriétés de la zone cohésive, des propriétés mécaniques du matériau ou encore la forme de la loi traction-ouverture utilisée. Une nouvelle expression pour estimer Lcz est établie pour les zones cohésives rectangulaires et triangulaires.Une deuxième approche d’identification locale, basée sur le travail de Réthoré et Estevez (2013), a été aussi proposée et discutée. Elle a été mise en oeuvre pour un essai d'insertion de lame, avant d'être appliquée à un essai de flexion 4 points entaillé. Un aller-retour entre simulation numérique et résultat expérimental permet d'identifier les propriétés cohésives du matériau ou de l'interface / This work concerns the study of materials and assemblies structures integrity using cohesive zone model (CZM) to analyze fracture. These models have the advantage to incorporate a characteristic length in the description of fracture initiation and propagation, which can lead to size effects studies. Three parameters characterize the CZM : the maximal cohesive traction Tmax to which the interface or the material can resist before the onset of debonding, the critical crack opening from which a crack is created locally and finally the traction-separation law which describe the cohesive traction distribution depending on fracture process.The main purpose of this thesis is to identify the cohesive zone parameters describing fracture at the interface or in the material. The first step was to elaborate an analytical model which can describe properly the DCB or Wedge Test kinematic, to characterize mode I fracture. Despite the fact of mode I fracture, the displacement field near the crack-tip is not K-dominant for these tests, at least not always. Various traction-separation laws were considered in order to study their influence on the local and global response of the test. An inverse identification methodology has been proposed from the analytical model, which can extract cohesive parameters through a least square error minimization between numerical and analytical deflection. Once validated, it was subsequently applied to a real Wedge test. The experimental displacement field measurement was done due to digital image correlation measurement.A deep analysis to evaluate the fracture process zone length has been also dedicated in the case of Wedge or DCB Tests. This analysis shows that Lcz is not an intrinsic interface or materials property and it can vary depending on the sample's geometry, the cohesive zone properties or the traction-separation law. A new expression to determine Lcz was established for rectangular and triangular cohesive zone.A second local identification approach, based on the work of Réhoré and Estevez (2013), has been also proposed. It was implemented to analyze the Wedge test, before applying it to a notched four points bending test. A round trip between numerical simulations and experimental results allow identifying the cohesive properties in the materiel or at the interface.

L’essor de la demande actuelle pour des matériaux architecturés, en microélectronique par exemple, ou pour des matériaux de structure, nécessite le développement d’outils de caractérisation toujours plus performants. Dans cette optique, un instrument de caractérisation multifonctionnel basé sur un couplage mécanique / électrique, a été développé au laboratoire SIMaP. Le cœur de ce dispositif est un nanoindenteur in situ FEG-SEM (Field Emission Gun Scanning Electron Microscope) couplé à des mesures électriques. Ce travail est porté par trois principales motivations: (1) L’étude du comportement mécanique d’objets petites échelles, (2) L’apport des données électriques à l’analyse quantitative du comportement mécanique pendant l’indentation, en particulier pour obtenir une meilleur estimation de l’aire de contact, (3) L’étude locale des propriétés électroniques d’empilements de films minces. L’intégration in situ SEM a été validée et permet un positionnement des indents avec une précision meilleure que 100 nm, autorisant ainsi l’étude des propriétés mécaniques à l’échelle submicrométrique. La rapidité des essais permet également des mesures statistiques. Des caractérisations mécaniques ont été menées aussi bien sur des échantillons composites massifs que sur des ilots d’or submicrométriques. Pour ce dernier cas, malgré la nature stochastique de leur comportement mécanique, une loi déterministe a pu être extraite des données mécaniques. Des mesures 3D-BCDI (Bragg Coherent Diffraction Imaging) au synchrotron ont été réalisées sur certains ilots avant et après chargement mécanique, révélant une germination de dislocations avant l’avalanche de grandes déformations plastiques. En parallèle de cette étude, des mesures électriques ont été réalisées pendant l’indentation de divers échantillons. Des mesures de nanoindentation résistive ont ainsi été effectuées sur des métaux nobles (Au) ou recouverts de leur oxyde natif (Cu, Al), soit à l’état de monocristal massif ou de film polycristallin. Les résultats quantitatifs soulignent l’importance de la présence d’une couche d’oxyde sur la réponse électrique. En présence d’un oxyde, l’interface pointe / échantillon semble être le lieu d’importantes réactions électrochimiques. En l’absence d’oxyde, la résistance mesurée peut être entièrement décrite par un modèle analytique. Dans ce cas, l’aire de contact électrique peut être prédite à partir des mesures de résistance. Enfin, des mesures capacitives ont été réalisées sur des structures MOS avec différentes épaisseurs d’oxyde. Les résultats expérimentaux sont parfaitement décrits par un modèle analytique, ce qui ouvre la voie à des mesures locales de permittivité diélectrique sous contrainte mécanique. / The increasing demand for multifunctional materials has become a recurrent challenge for a wide panel of application fields such as microelectronics and structural applications. Within the frame of this project, a multifunctional characterisation set-up has been developed at SIMaP lab, mainly based on the electrical / mechanical coupling. The heart of this device is an in situ FEG-SEM (Field Emission Gun Scanning Electron Microscope) nanoindenter coupled with an electrical measurement apparatus. This work has threefold objectives: (1) The investigation of mechanical behavior of small scale systems, (2) The input of electrical data to the quantitative analysis of mechanical behavior during indentation, in particular to obtain a better estimation of the contact area (3) The local study of electronic properties of thin film stacks. SEM integration of the device has been validated and indent positioning with a precision better than 100 nm is successfully obtained. This performance allows the studies of mechanical properties at submicrometric length scale, with a high throughput allowing statistical measurements. Various bulk composite materials have been characterized as well as submicrometric gold islands on sapphire. In the latter case, despite the stochastic nature of their mechanical behavior, a deterministic law has been extracted. 3D-BCDI (Bragg Coherent Diffraction Imaging) experiments have been performed on a few islands at synchrotron facility to investigate the crystal state before and after mechanical loading. These experiments reveal initial dislocation nucleation prior to large deformation bursts. In parallel to this study, electrical measurements have been performed during indentation on various cases. Resistive-nanoindentations have been performed on noble metals (Au) and natively oxidized metals (Cu, Al), either as bulk single crystals or as polycrystalline thin films. Qualitative results emphasize the importance of the oxide layer on the electrical response. In the presence of an oxide layer, strong electrochemical reactions seem to occur at the tip-to-sample interface. When no oxide is involved, the measured resistance can be fully described by an analytical model and the computed electrical contact area is successfully validated with residual areas measurements. Finally, capacitive measurements have been performed on MOS structures with various oxide thicknesses. Experimental results have been well described by analytical modelling, which paves the way for quantitative local dielectric permittivity measurements under mechanical loading.

Cette thèse s’inscrit dans la démarche de caractérisation mécanique des tissus mous du vivant in situ et in vivo par un dispositif de succion utilisable en salle opératoire. L’objectif est de fournir au chirurgien un outil simple, efficace, et si possible de coût réduit, pour estimer les propriétés mécaniques spécifiques au patient et en temps réel afin guider leur décisions. Malheureusement, les structures biologiques sont souvent hétérogènes due à leur composition (peau, muqueuse, fibres musculaires, matière adipeuse, fascias, vascularisation, …). En particulier, ces structures biologiques présentent un gradient de propriétés mécanique dans la profondeur. Il s’agit donc de répondre à un problème complexe, d’autant plus qu’il est nécessaire de proposer une méthode non destructive adaptée à une mesure in situ et in vivo en salle opératoire.Parmi les procédés de caractérisation mécanique rencontrés, les méthodes basées sur la succion sont courantes. Ce procédé de mesure consiste à aspirer un volume de tissu mou à travers une ouverture en mesurant simultanément la pression et la hauteur de tissu dans l’enceinte. Une procédure d’identification inverse est ensuite mise en place pour identifier les propriétés mécaniques du tissu. Cette mesure de hauteur étant généralement effectuée à l’aide d’une caméra, le design des systèmes rencontrés reste cependant délicat, en particulier pour respecter les contraintes d’encombrement et de stérilisation des systèmes.Au cours de ce travail, la méthode d’aspiration a été revisitée en remplaçant la mesure de hauteur par une mesure de volume. L’extrémité du dispositif d’aspiration se réduit maintenant à un simple tube : le système fourni est donc facilement stérilisable, le diamètre et la géométrie de l’ouverture peuvent être choisis en fonction des objectifs des mesures à effectuer. Il semble donc difficile d’imaginer un système plus simple, d’encombrement plus réduit et de coût inférieur à celui-ci.Plusieurs problématiques ont été étudiées autour de ce nouveau système :les précisions de mesures obtenues par volume ou, plus classiquement, par caméra ont été confrontées. Au bilan, la mesure de volume présente un ratio signal/bruit similaire ou inférieur aux mesures de volume obtenues par caméra. L’impact de différents paramètres expérimentaux a été évalué et quantifié, permettant d’optimiser la qualité des mesures.les résultats d’identification inverse ont été validés sur des échantillons en silicone. Leur matériau constitutif a été caractérisé pour référence en traction uniaxiale et par bulge test. Les modules de Young obtenus par identification inverse sur le test d’aspiration (calcul itératif par Elements Finis) montrent une sur-estimation de 7% au maximum avec les résultats des tests de référence. Ce résultat est une amélioration significative par rapport aux sur-estimations de 30% rencontrées dans la littérature.les caractéristiques du système ont été mises à profit pour mesurer directement l’épaisseur et les propriétés mécaniques de couches superficielles de tissus multicouches sans autre système de mesure. La preuve de concept a été effectuée expérimentalement sur un échantillon artificiel constitué de deux silicones différents. Au bilan, l’épaisseur de la couche supérieure a été identifiée avec une erreur inférieure à 4% , les modules de Young des deux matériaux avec une erreur inférieure à 8%. Ces résultats sont jugés très encourageants pour une future application de la méthode à des tissus du vivant.une méthode d’identification inverse des propriétés mécaniques en temps réelle a été développée. Cette procédure est basée sur une réduction de modèle et fournit également des indications sur la sensibilité de l’identification aux différents paramètres expérimentaux. L’utilisation de cette méthode d’inversion a montré une erreur d’identification de 10 et 12% par rapport aux valeurs de références sur les spécimens constitués de deux couches de silicones. / In-vivo characterization of biological soft tissues is a key step toward patient-specific biomechanical simulation and planning of intra-operative assisted surgery. These tissues’ structures are usually highly heterogeneous due to the variety of their constituents (skin, mucosa, muscle fibers, fat, fascia, vascularization, etc.). In particular, their local mechanical properties may change with depth.Among various characterization techniques, aspiration method is a standard due to its simplicity: tissue is aspirated through a hole while measuring the negative pressure and the associated apex height. An inverse problem is then solved to identify the material mechanical properties. In the literature, the apex height was usually measured using a camera, which induced design difficulties, in particular regarding the required sterilization process for in-vivo measurements.This thesis aims at developing new practical aspiration techniques and inverse analyze techniques to deal with these challenges.First, the aspiration method is revisited, replacing the apex height optical measurement by the measurement of the aspirated tissue volume. In the proposed method the system head was reduced to a simple tube: sterilization becomes easy and the aspiration aperture diameter can be changed according to experimental requirements. The proposed system is thus probably among the simplest, lightest and most inexpensive devices one could achieve.Then, many studies are developed: (i) a comparison of this volume-based method with classical techniques based on optical measurements, (ii) the validation of the volume-based aspiration device and inverse identification on soft homogeneous synthetic materials, (iii) the development of a method for in-vivo identification of multi-layered soft tissues and its validation on two-layer synthetic samples, and (iv) a method for real-time inverse mechanical identification of constitutive materials using the aspiration results.The experimental signal-to-noise ratio in raw volume measurements obtained either optically or by the volume-based method were compared. The effects on the accuracy of various experimental parameters were investigated and quantified: the volume measurement was proved to present the same order or even better accuracy compared to optical measurements.To validate the inverse identifications using the volume-based aspiration method, silicone samples were then made and characterized using (1) aspiration, and, as references, two standard tests such as (2) uniaxial and (3) equibiaxial extension tests. Performing a Finite Element (FE) inverse identification on the experimental results provided Young’s moduli similar to classical tests with about 7% maximum overestimation for the silicones. This underlines a significant improvement of the measurement method accuracy compared to the literature (about 30% relative overestimation).In the proposed device, the aspiration aperture diameter can be easily changed. This feature was used to develop a new method to characterize the mechanical properties as well as the superficial layers’ thicknesses in multi-layer soft tissues. A proof of concept was experimentally validated on two-layer artificial soft silicone specimens. As a conclusion, the superficial layer thicknesses and the materials Young’s moduli were identified with a maximum error of 4 and 8%, respectively. Such results thus provide encouraging perspectives for the in-vivo characterization of two-layer anatomical structures such as skin and sub-dermal tissues.Eventually, a Design Of Experiment (DOE) method was applied to drastically decrease the computation time involved during the inverse identification step, which is a prerequisite for any use in a clinical routine. The identifications using the DOE method were compared with the reference characteristics of the investigated silicones and maximum errors of 10 and 12% were obtained for the homogeneous and two-layer samples, respectively.

Le remplacement des alliages durs à base cobalt par des alliages à base fer suscite un intérêt croissant pour la protection anti-usure des pièces métalliques fonctionnant dans le circuit primaire d’une centrale nucléaire. Dans le cadre de cette thèse, une étude métallurgique détaillée a été effectuée sur des dépôts épais en Norem 02™ élaborés par le procédé de projection laser.Un affinement significatif de la microstructure du Norem 02™ a été obtenu après optimisation des paramètres du procédé (puissance laser, vitesse de balayage et débit de poudre), par rapport à un procédé concurrent par Plasma à Arc Transféré. Les essais tribologiques montrent que l’amélioration de la microstructure n’empêche cependant pas l’apparition du grippage à 300°C.La deuxième partie de cette étude a été consacrée à l’amélioration du Norem 02™ avec ajout de différents éléments chimiques. Le choix de ces ajouts adéquats a été validé grâce aux tests de frottement réalisés sur des échantillons en Norem 02™ modifié, sous haute contrainte mécanique (1 GPa) et à haute température (300°C). Parmi une dizaine d’éléments d’ajouts testés, l’ajout de titane a permis une transformation complète de la microstructure du Norem 02™. Cette transformation métallurgique a amélioré son comportement tribologique avec un faible coefficient de frottement (<0.3) à 300°C.L’origine de cette amélioration du comportement mécanique du Norem 02-Ti a été étudiée et expliquée par différentes analyses microstructurales (MO, MEB, EDS, EBSD) ainsi que des essais de traction sur des éprouvettes extraites des revêtements épais. / This study aims to substitute the cobalt-based hardfacing alloys with iron-based hardfacing alloys to protect mechanical parts operating in the primary circuit of a pressurized water reactor (PWR)Firstly, a detailed metallurgical study was carried out to characterize a thick deposit on Norem 02™ produced by the laser process (Direct Metal Deposition - DMD). Compared with a classical PTA process, a microstructure refinement was achieved after an optimization of process parameters (laser power, scanning speed and powder flow-rate). However, wear tests show that the improvement of the microstructure does not prevent the occurrence of galling at 300 ° C.The second part of this study is dedicated to Norem 02™ improvement with the addition of various chemical elements. The appropriate additions to this application have been validated by wear tests under high mechanical stress (1 GPa) and at high temperature (300°C). Among a dozen samples of modified Norem 02 ™, the addition of titanium was shown to provide a complete transformation of the initial Norem 02™’s microstructure. This metallurgical transformation improved its tribological behavior with a low friction coefficient (<0.3) obtained at 300 °C.Last, the origin of the mechanical behavior improvement of Norem 02-Ti was studied and explained by microstructural analysis (MO, MEB, EDS, EBSD) and tensile tests on specimens extracted from thick coatings.

Le galetage est une opération de finition et de traitement mécanique de surface, particulièrement utilisée dans le secteur du décolletage. Afin de valoriser pleinement l'opération, les industriels ont besoin d'estimer les caractéristiques des pièces traitées; il s'agit de la rugosité, de la dureté superficielle et de la distribution des contraintes résiduelles. Pour répondre à cette problématique, différentes modélisations ont été construites par le passé. Les deux plus abouties s'appuient principalement sur l'hypothèse d'équivalence entre la sollicitation de galetage et la sollicitation d'indentation. Dans ce rapport, une nouvelle approche de la modélisation de l'opération de galetage est proposée. Elle repose sur une étude fine des phénomènes physiques mis en jeu par la sollicitation de galetage. Dans un premier temps, le problème mécanique posé par la modélisation de l'opération de galetage est résolu sous l'hypothèse de comportement purement élastique. Dans ce cas, l'équivalence entre la sollicitation de galetage et la sollicitation d'indentation est bien re-démontrée. Dans un second temps, l'effet de la plasticité sur cette équivalence est étudié. Un phénomène de formation et écoulement de bourrelet, particulièrement influent sur la sollicitation de galetage, est alors mis en évidence. Ce constat invalide totalement l'hypothèse d'équivalence galetage - indentation formulée précédemment. Ainsi, il est démontré que pour modéliser fidèlement les phénomènes induits par l'opération, il est indispensable de considérer le contact roulant libre du galet sur un solide en trois dimensions. En tirant partie de cette étude, une nouvelle méthode de modélisation de l'opération de galetage par la technique des Éléments Finis est alors proposée. Une attention particulière est portée sur la définition d'une méthode de caractérisation mécanique préalable du matériau, notamment adaptée à la problématique par l'utilisation d'un essai de compression spécifique. En ce qui concerne l'état géométrique de la surface, les résultats numériques sont en bon accord avec les mesures expérimentales. De plus, pour les grandeurs mécaniques (dureté superficielle et contraintes résiduelles), une correspondance qualitative est obtenue. Finalement, il apparaît que ce modèle apporte une contribution notable à la compréhension de l'opération, ouvrant la voie à une modélisation plus fidèle. / Roller burnishing is a cost effective surface enhancement process. To value this process, industry needs a tool to estimate the roughness, the hardness and the residual stress distribution of a burnished workpiece. To achieve this goal, different models have been built in the past. The two most comprehensive are based on the hypothesis of equivalence between normal contact and rolling contact. In this study, a new approach of the modeling of roller burnishing is proposed. For this, physical phenomena that occur around the contact area have been precisely studied. Firstly, the mechanical problem that is posed is solved analytically assuming a perfectly elastic behavior. In this case, equivalence between normal contact and rolling contact is proved. Secondly, the effect of plasticity on that result is studied. A phenomenon of accumulation and flow of material, which effect appears to be particularly important on the mechanical and geometrical characteristics of the burnished surface is highlighted. This observation imposes to reject the hypothesis of equivalence between normal contact and rolling contact. Consequently, it is conclude that any model can't be reliable until it considers the rolling contact of the roller on the workpiece. On this basis, a new finite element model of roller burnishing is established. Finally, numerical results are compared to experimental measurements. Concerning geometrical state, a quantitatively good correlation is observed while a qualitatively agreement is obtained for the two mechanical indicators. It can be concluded that this new EF model give a better understanding of the mechanics of roller burnishing process and will give the opportunity to improve parameters process or to adapt parameters according to the wished mechanical and geometrical characteristics of the workpiece.

Les pathologies vasculaires provoquent un remodelage de la paroi artérielle pouvant entraîner une modification de sa rigidité et de son comportement mécanique. L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes de caractérisation mécanique permettant d’identifier les changements de propriétés mécaniques artérielles dans le cadre de deux situations pathologiques : l’anévrysme de l’aorte abdominale (AAA) et l’hypertension artérielle (HTA). La première étude a consisté à évaluer in vitro les modifications de fonctionnalité de l’artère dans le cas d’un AAA obtenu par le modèle de xénogreffe chez le rat qui permet de reproduire certains aspects de la pathologie humaine et qui est utilisé pour la mise au point de thérapies cellulaires. Une analyse des variations régionales des propriétés mécaniques du tissu anévrysmal a d’abord été menée en effectuant des tests de traction sur anneaux d’AAA. Des tests d’extension-inflation ont ensuite été réalisés sur la structure vasculaire pour des conditions de chargement reproduisant celles observées in vivo. Dans chacun des cas, une méthode inverse couplée à un modèle numérique par éléments finis a été développée afin d’identifier les paramètres matériaux du tissu vasculaire. Dans la deuxième étude, la rigidité artérielle a été mesurée in vivo sur une population de patients atteints d’HTA et de sujets sains en utilisant deux méthodes non-invasives qui ont été développées et optimisées : l’imagerie ultrarapide de l’onde de pouls et l’élastographie par ondes de cisaillement de la paroi artérielle. Ces deux méthodes s’appuient sur un échographe ultrarapide. La vitesse de l’onde de pouls locale sur un segment de la carotide a ainsi pu être évaluée, ainsi que la vitesse de propagation d’ondes de cisaillement générées dans la paroi à plusieurs instants du cycle cardiaque. Les deux approches in vitro et in vivo ont ainsi permis d’évaluer certains changements de propriétés mécaniques de la paroi artérielle dans des cas pathologiques. Bien que tous les mécanismes biologiques de l’AAA et de l’HTA soient complexes, ce travail permet de contribuer à une meilleure compréhension des pathologies vasculaires pouvant ainsi aider au choix ou au développement de traitements adaptés, tant d’un point de vue pharmacologique que dans le cadre de nouvelles thérapies cellulaires. / Vascular pathologies are generally accompanied by a remodeling of the arterial wall that may lead to modifications of its stiffness and mechanical behavior. The goal of this thesis is to propose methods of mechanical characterization allowing to detect the changes in arterial mechanical properties in the case of two pathologies: abdominal aortic aneurysm (AAA) and arterial hypertension (HTA). The first study consisted in evaluating in vitro the arterial functional modifications in the case of an AAA obtained by the rat xenograft model which reproduces several biological features of the human pathology and is used to develop cell therapies. First, the assessment of regional variations in mechanical properties of aneurysmal tissue was conducted by carrying out traction tests on rings from AAAs. Then, extension-inflation tests were conducted on the vascular structure for loading conditions replicating those observed in vivo. In each case, an inverse method associated with a numerical finite element model was developed to identify the material parameters of vascular tissue. In the second study, arterial stiffness was measured in vivo for a population of hypertensive patients and healthy subjects using two non-invasive methods which were developed and optimized: ultrafast imaging of the pulse wave and shear wave elastography of the arterial wall. These two methods are based on an ultrafast ultrasound scanner. Thus the local pulse wave velocity on a segment of the carotid artery was assessed, as well as the propagation speed of shear waves created in the arterial wall at several moments during the cardiac cycle. Both in vitro and in vivo approaches enabled to evaluate some changes in mechanical properties of the arterial wall in pathological cases. Although all the biological mechanisms of AAA and HTA are complex, this work provides a contribution to a better understanding of vascular pathologies and can thereby assist in the choice or development of adapted treatments, from both a pharmacological point of view, and within the context of new cell therapies.

Les travaux de cette thèse ont été initiés par la volonté industrielle de lever le verrou technologique du démasselotage à chaud de bielles en fonte GS. Ces bielles sont obtenues par un procédé de fabrication hybride innovant mêlant forgeage et fonderie en moule métallique. Ce procédé exige que le démasselotage soit effectué dans la « chaude de coulée » lorsque la fonte GS est en phase austénitique. La découpe de la fonte dans ces conditions de température fait apparaître des défauts majeurs sur les surfaces découpées préjudiciables à la suite du process. Pour pouvoir répondre à cette problématique, une étude est menée sur la caractérisation du comportement et de l’endommagement de la fonte GS dans les conditions de température du process. Une attention particulière est portée sur l’influence de la microstructure nodulaire sur les mécanismes de la rupture. Afin de se doter d’outils de simulation pour mettre au point le processus de démasselotage à chaud, les paramètres du modèle de comportement et d’endommagement de Gurson-Tvergaard-Needleman appliqués à la fonte GS sont identifiés par méthode inverse. Enfin, un plan d’expérience est déployé sur un démonstrateur de découpe instrumenté afin d’obtenir la configuration optimale des paramètres process pour une découpe sans défaut. Cette dernière étude met en avant la présence d’une transition d’un mode de rupture ductile à fragile lors de l’apparition des défauts de démasselotage. / This work was initiated by the technological problematic of hot trimming of nodular cast iron connecting rods. These connecting rods are obtained by an innovative hybrid process that combines forging and metal mold casting. This process requires the trimming to be conducted at high temperatures in the is the austenitic phase of the cast iron. Hot trimming of cast iron brings up major defects on the cut surfaces which are detrimental to the continuing process. To address this problem, a study is conducted on the characterization of the mechanical behavior of nodular cast iron in the process temperature conditions. A particular attention is paid to the influence of the nodular microstructure on the failure mechanisms. To develop simulation tools for nodular cast iron hot trimming, the parameters of Gurson-Tvergaard-Needleman model are identified by inverse method for our material. Finally, a design of experiment is deployed using an instrumented demonstrator to obtain the optimum parameters configuration for a maximized cut surface quality. This latest study highlights the presence of a transition from ductile to brittle mode of failure leading to the hot trimming defects.

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la vitesse de déformation sur la réponse par indentation des matériaux. Les matériaux polymères thermoplastiques, notamment le Polycarbonate (PC), le Polyméthylméthacrylate (PMMA), le Polyéthylène à Haute Densité (PEHD) et le Polyamide Nylon 6.6 renforcé à 30% de fibres de verres (PA 6.6-30% GFR), ont été choisis comme matériaux d'études en raison de leur forte sensibilité à la vitesse de déformation même à température ambiante. Les deux premières parties de ce travail sont focalisées sur l'étude du comportement thermomécanique des matériaux polymères. Une étude bibliographique sur des matériaux polymères thermoplastiques, amorphes et semi-cristallins, a été effectuée afin de comprendre leur microstructure et leur mécanisme de déformation. De plus, des essais de compression simple ont été réalisés sur les matériaux d'étude à différentes vitesses de traverse constantes puis dépouillés analytiquement. Les trois derniers chapitres de cette thèse sont consacrés à la caractérisation mécanique des matériaux par indentation. En premier lieu des simulations numériques de l'essai d'indentation conique ( =70,3°) à une vitesse de pénétration constante ( = 1 µm/s) ont été effectuées à partir des paramètres de la loi de G'sell modifiée et de la loi puissance identifiés par compression. L'identification par analyse inverse des paramètres de la loi de G'sell modifiée à 7 paramètres sur des courbes pseudo-expérimentales nous a permis de confirmer la non unicité de la solution. Ainsi, nous avons effectué l'étude théorique de l'indentation sur des matériaux pseudo-expérimentaux en utilisant la loi puissance. Un nouveau concept de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative, basé sur l'analyse du domaine de solution regroupant l'ensemble des paramètres donnant les mêmes courbes d'indentation, a été proposé. La procédure d'identification des paramètres de la loi puissance par indentation utilisant ce concept de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative, appliquée sur un matériau pseudo-expérimental donne des résultats très satisfaisants. Sur les matériaux d'étude en revanche la méthode n'a pu révéler son potentiel puisque la loi de comportement de ces matériaux n'est pas correctement modélisée par une loi puissance sur une large plage de déformation et de vitesse de déformation. Enfin, le concept de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative proposé dans ce travail apporte de nouveaux outils d'analyse et d'exploitation des données de l'indentation et offre des perspectives très intéressantes. / The aim of this thesis is to study the strain rate effects through materials response from indentation test. Polymeric solid material, especially Polycarbonate (PC), Polymethyl methacrylate (PMMA), High Density Polyethylene (HDPE) and Polyamide Nylon 6.6 -30% glass fiber reinforced (PA 6.6-30% GFR), were selected as study materials due to their high strain rate sensitivity even at room temperature. The first two parts of this work were focused on the study of the thermomechanical behavior of polymer materials. Bibliographical studies of thermoplastic polymer materials, amorphous and semi-crystalline, was established in order to understand their microstructure and deformation mechanism. Moreover, compression tests were performed on study materials with several crosshead speeds values then the results was exploited analytically. The last three parts were focused on mechanical characterization using Instrumented Indentation Test (IIT). Firstly, numerical simulation of a conical indentation test ( =70.3°) with a constant rate displacement ( = 1 µm/s) was established using the identified G’sell behavior parameters and the power-law parameters from compression test. Parameter identification using Inverse Analysis from numerical material shows the non-uniqueness of G’sell parameters which gives the same indentation curve. Thus, theoretical study of conical indentation test was established considering power-law model. A new concept of the representative strain and the representative strain rate, based on solution domain which associate the set of parameters leading to the same indentation curves, was proposed. Very satisfactory results was obtained when identification process using this average representative strain rate is applied to a numerical material define by a power-law model. However, this method could not show its efficiency because the mechanical behavior of the real material is not correctly modeling with a power-law at a wide range of strain and strain rate. Finally, the new concept of the representative strain and the representative strain rate proposed on this work contributes to a new investigation tools to exploit the results form IIT and provide a very interesting perspectives.