Le comportement mécanique des alliages métalliques industriels, notamment ceux utilisés dans le domaine de l’aéronautique, est contrôlé par la présence de différents types de précipités et par la nucléation et propagation de défauts cristallins tels que les dislocations. La compréhension du comportement de ces matériaux nécessite des modèles continus afin d’accéder à l’échelle macroscopique. Cependant, même aujourd’hui, les théories conventionnelles de la plasticité utilisent des variables mésoscopique et des équations d’évolution qui ne reposent pas sur la notion de transport de dislocations. En conséquence, ces théories sont basées sur des lois phénoménologiques qu’il est nécessaire de calibrer pour chaque matériau et chaque application. Il est donc souhaitable d’établir le lien entre les échelles micro et macro afin de générer une théorie continue de la plasticité déduite analytiquement des équations fondamentales de la dynamique des dislocations. L’objet de cette thèse est précisément de contribuer à l’élaboration d’une telle théorie. La première étape a consisté à établir rigoureusement la procédure de changement d’échelle dans une situation simplifiée. Nous avons alors abouti à un système d’équations de transport hyperboliques sur des densités de dislocations contrôlées par des contraintes locales de friction et de backstress qui émergent du changement d’échelle. Nous avons ensuite développé une procédure numérique pour calculer ces termes et analyser leur comportement. Finalement, nous avons développé un schéma numérique efficace pour intégrer les équations de transport ainsi qu’un schéma spectral multi-grille pour résoudre l’équilibre élastique associé à un champ de déformation propre quelconque dans un milieu élastiquement anisotrope et inhomogène. / The mechanical behavior of industrial metallic alloys, in particular those used in the aerospace industry, is controlled by the existence of several types of precipitates and by the nucleation and propagation of crystalline defects such as dis- locations. The understanding of this behavior requires continuous models to access the macroscopic scale. However, even today, conventional plasticity theories use mesoscopic variables and evolution equations that are not based on the transport of dislocations. Therefore, these theories are based on phenomenological laws that must be calibrated for each material, or, for each specific applications. It is therefore highly desirable to make link between the micro and macro scales, in order to derive a continuous theory of plasticity from the fundamental equations of the dislocation dynamics. The aim of this thesis is precisely to contribute the elaboration of such a theory. The first step has consisted to rigorously establish a coarse graining procedure in a simplified situation. We have then obtained a set of hyperbolic transport equations on dislocation densities, controlled by a local friction stress and a local back-stress that emerge from the scale change. We have then developed a numerical procedure to compute these local terms and analyze their behavior. Finally, we have developed an efficient numerical scheme to integrate the transport equations as well as a multigrid spectral scheme to solve elastic equilibrium associated to an arbitrary eigenstrain in an elastically heterogeneous and anisotropic medium.

L'ensemble des travaux présentés dans cette thèse porte sur la simulation numérique des procédés de coextrusion par un modèle d'écoulement stratifié basé sur la méthode du champ de phase. L'avantage technologique offert par la coextrusion réside dans la possibilité de combiner des matériaux ayant des propriétés physiques très spécifiques dans un produit unique. Toutefois, les différences rhéologiques entre les divers matériaux sont elles-mêmes responsables d'un phénomène de distorsion de l'interface séparant deux couches adjacents. Les données expérimentales en coextrusion bicouches montrent que, en raison des différences de viscosité et d'élasticité entre le deux composants, le fluide le moins visqueux encapsule le fluide plus visqueux et le passage d'une configuration stratifiée à une encapsulée comporte une perte de qualité du produit final. Ce phénomène, dit d'enrobage représente donc un sujet de très grande actualité dans la recherche industrielle et la compréhension des mécanismes le générant sera utile pour l'amélioration des procédés de mise en forme des polymères. La nature intrinsèquement tridimensionnelle de l'enrobage a requis le développement d'un code pour la simulation tridimensionnelle basée sur la méthode des volumes finis pour la discrétisation des équations de Navier-Stokes pour les écoulement incompressibles et isothermes couplées avec une loi constitutive différentielle non linéaire (modèles de Giesekus ou PTT). La présence de deux fluides est prise en compte par une équation scalaire supplémentaire décrivant l'évolution de l'interface sur un maillage fixe. Cette équation offre une interprétation physique précise car elle est dérivée de la thermodynamique de séparation de phase d'un fluide binaire. Le modèle proposé est validé par confrontation avec les résultats expérimentaux et numériques disponibles dans la littérature. Une étude numérique de la coextrusion en filière rectangulaire est effectuée afin de mettre en évidence les facteurs influençant l'enrobage et la nature de son origine / The objective of the present work is the analysis of coextrusion processes by numerical simulation based on phase-field modeling of stratified confined flows. The study of such flows is motivated by the presence of complex phenomena appearing in a vast range of industrial operational coextrusion conditions due to the differences in the components properties and their viscoelastic behavior. The basic idea in coextrusion is to combine several layers of different polymers in a common die, to form a unique product with enhanced properties. However, the existence of fluid stratification in the die is responsible of a severe distortion of the interface between the fluid components, causing a loss of efficiency for the whole process. Experimental data show that, even if a stratified initial configuration is imposed at the die entry, one fluid eventually encapsulates the other in most of the flow condition analyzed. The intrinsically three-dimensional nature of this phenomenon has required the development of a three-dimensional flow solver based on the finite volume discretization of the Navier-Stokes equations for incompressible and isothermal flow, together with differential nonlinear constitutive equations (Giesekus, PTT models). The presence of two fluid phases is taken into account by a phase field model that implies the solution of an additional scalar equation to describe the evolution of the interface on a fixed Eulerian grid. This model, unlike others of the same family, has a thermodynamic derivation and can be physically interpreted. The proposed method is tested against experimental data and solutions already available in literature and a study of coextrusion in rectangular dies is performed to identify the dependence of encapsulation on the flow parameters

Les aciers austénitiques et alliages à base de nickel sont des matériaux de choix pour leurs propriétés mécaniques à haute température. L'enrichissement en chrome améliore leur durabilité de part la formation d'une couche d'oxyde protectrice à l'exemple de la chromine (Cr2O3).Il est néanmoins établi, par des essais mécaniques sous vide, que l'oxydation réduit de manière notable leur durée de vie en fatigue.En effet, la croissance d'oxyde peut être accompagnée d'une introduction de défauts tels que l'injection de lacunes, d'éléments délétères comme l'hydrogène mais également de contraintes résiduelles, etc., dans le métal.Les micromécanismes de fissuration sont ainsi régis par des interactions complexes entre l'environnement et la surface du métal, faisant intervenir composition chimique et microstructure.Aujourd'hui, les enjeux de sécurité et de compétitivité font de la prévision de la durée de vie de ces alliages une nécessité pour l'industrie nucléaire.L'augmentation de la dimension des modèles permet de prendre en compte de manière explicite les interactions multiphysiques du couple oxyde/métal sous l'action d'un chargement mécanique.La thèse s'inscrit dans cette démarche et propose une formulation d'un modèle de champ de phases couplé avec la mécanique et fondé sur les principes de la thermodynamique des milieux continus.Le comportement effectif de l'interface est présentement obtenu via des méthodes d'homogénéisation permettant de combiner des comportements mécaniques dissemblables, à l'image d'un substrat ductile et de son oxyde fragile.Les contraintes induites par la formation d'oxyde et également par le chargement mécanique peuvent être relaxées viscoplastiquement, de manière isotrope et anisotrope, respectivement dans l'oxyde et dans le substrat.Des simulations par éléments finis de l'oxydation généralisée ainsi que de l'oxydation intergranulaire sous chargement mécanique sont effectuées.Ces dernières mettent en évidence la possibilité d'un phénomène d'oxydation catastrophique par la génération de contraintes de tensions dans l'oxyde fragile, lesquelles peuvent être localisées le long des intrusions d'oxyde dans les joints de grains. / Austenitic stainless steels and nickel based alloys are widely used for their mechanical properties at high temperatures.Their durability can be increased by the addition of chromium resulting in the formation of a protective oxide layer such as chromia (Cr2O3).Nevertheless, it is established from vacuum mechanical tests that oxidation significantly decreases their fatigue life.In fact, oxide growth can be followed with the injection of defects such as vacancies, deleterious chemical elements and residual stresses, etc., into the metal.The resulting cracking micromechanisms are therefore governed by complex interactions between the environment and the metal surface, implying the chemical composition and the microstructure of the metal.To date, materials life prediction is a necessity for the nuclear industry due to safety and economic issues.The enhancement of the model dimensionality allow to explicitly account for multi-physics interactions between oxide and metallic phases under mechanical loads.The thesis is in line with it and relies on the development of a phase field model coupled with mechanics that heavily relies on the principles of continuum thermodynamics.The effective behaviour of the interface is obtained by homogenisation methods allowing the mixture of separate behaviours, as it is the case on a ductile metallic substrate and its fragile oxide.Oxide growth residual stresses and mechanical load induced stresses can be relaxed by viscoplasticity, which is isotropic and anisotropic respectively for the oxide and the substrate.Full field finite element simulations are performed to study both generalised and intergranular oxidation under mechanical loads.The simulations highlight the possibility of triggering breakaway oxidation by the generation of tensile stresses in the fragile oxide, which can be localised along oxide intrusions at grain boundaries.

La compréhension du comportement des matériaux en présence d'impuretés, durant le processus de solidification, nécessite le développement de méthodologies appropriées pour une analyse et un contrôle efficace des changements topologiques des microstructures (par exemple, la formation des dendrites) au cours des différentes phases de transformation. L'objectif de cette thèse est de construire un modèle pertinent de solidification d'alliages binaires sous l'action de champs magnétiques, d'analyser les systèmes issus du modèle mathématique ainsi développé, d'un point de vue théorique et numérique, et enfin de développer une méthode de contrôle optimal afin de contrôler la dynamique du front de solidification par l'action du champs magnétiques. Dans un premier temps, nous avons décrit la physique du problème et les lois fondamentales nécessaires à la modélisation, puis nous avons construit un nouveau modèle de champ de phase, qui tient compte de l'influence de l'action du champ magnétique sur le mouvement du front de solidification. Le modèle ainsi développé est caractérisé par le couplage de trois systèmes : un de type magnétohydrodynamique, un second de type Warren-Boettingger avec convection (représentant l'évolution du front de solidification et la concentration du mélange binaire) et un troisième représentant l'évolution de la température. Les équations du système complet décrivant le modèle, dans un domaine Ω inclus dans R^{n}, n ≤ 3, sont évolutives, non linéaires, couplées et anisotropes. Dans une seconde partie, nous avons effectué l'analyse théorique du modèle développé dans le cas isotherme et isotrope en dimension deux. Nous avons obtenu des résultats d'existence, de régularité, de stabilité et d'unicité d'une solution, sous certaines conditions sur des opérateurs non linéaires du système. Enfin, nous avons développé une méthode de contrôle optimal non linéaire : le champ magnétique (qui intervient sous forme multiplicative) joue le rôle de contrôle, et l'observation est l'état désiré de la dynamique du front. Nous avons démontré l'existence d'une solution optimale et obtenu la sensibilité de l'opérateur solution et les conditions d'optimalité en introduisant un problème adjoint. Cette partie théorique de la thèse est complétée par un important travail numérique. L'analyse et les simulations numériques ont été menées sur le problème complet bi-dimensionnel non linéaire (isotrope et anisotrope). Nous avons utilisé pour la discrétisation la méthode des lignes qui consiste à considérer séparément la discrétisation temporelle et spatiale. La discrétisation spatiale est effectuée par un schéma d'éléments finis mixtes et le système différentiel algébrique obtenu est résolu par l'utilisation du solveur DASSL. La discrétisation du domaine est effectuée par des mailles triangulaires non structurées. Dans le cas réaliste, elles correspondent à un maillage non uniforme et trés fin dans la zone de la dendrite et au niveau de l'interface. Nous avons obtenu des estimations d'erreur pour les différentes variables d'état du modèle et analysé la robustesse et la stabilité des schémas d'approximation. Ce code numérique a été validé sur différents exemples, et donne d'excellents résultats. Ensuite, nous avons exploité le code pour traiter un problème réaliste, à savoir la solidification dendritique d'un alliage binaire Nickel-Cuivre, et analyser l'influence de champs magnétiques sur l'évolution des dendrites. Les résultats obtenus montrent l'efficacité de l'approche à reproduire les observations expérimentales.

La rupture macroscopique d’un matériau intervient généralement lorsque des micro-défauts coalescent, plutôt que par la propagation catastrophique d’une seule fissure. Il est donc souhaitable d’étudier des configurations de rupture où de multiples fissures interagissent. Les paires de fissures en-passant (EP), où deux fissures parallèles croissent l’une vers l’autre, sont particulièrement intéressantes d’un point de vue applicatif. Cette configuration de rupture se retrouve aussi bien dans des situations naturelles (os, dorsales océaniques,…) qu’industrielles (génie civil, pièces métalliques,…). Malgré la diversité de tailles et de matériaux dans lesquels ces fissures existent, leurs trajectoires ont une forme typique en crochet quasi-universelle dont l’origine, résultant de l’interaction fissure-fissure répulsive puis attractive, est mal comprise. En particulier, le comportement répulsif initial semble mettre à mal la mécanique élastique linéaire de la rupture (MELR). Dans cette thèse, nous avons d’abord étudié les fissures EP dans le cadre de la MELR. L’étude de l’angle initial de déviation et la simulation de trajectoires a montré contre toute attente que la MELR permet de reproduire qualitativement la forme en crochet. Prédire précisément certaines caractéristiques, comme l’intensité de la phase répulsive, nécessite plus de finesse au niveau de la représentation du comportement matériau. Nous avons ensuite utilisé un modèle par champ de phase pour enrichir le modèle matériau. Les nouvelles trajectoires simulées étant fortement influencées par la longueur caractéristique du champ de phase, il est possible d’obtenir un modèle plus juste quantitativement. Une perspective intéressante reste de relier cette longueur à la microstructure du matériau / Macroscopic failure of a material happens generally through the coalescence of micro-defects rather than the catastrophic propagation of a single crack. It is therefore advisable to study fracture problems in which many cracks interact. The case of en-passant crack pairs (EP-cracks), two parallel and offset cracks approaching each other by propagating through their inner tips, presents a marked interest as these cracks can be found in various natural (bones, oceanic rifts,..) or industrial (civil engineering,…) situations. Despite the large variety of scales and materials in which these cracks are observed, their trajectories present a remarkably self-similar hook-shape. This shape result from the crack-crack interaction, first repulsive before becoming attractive, and its origin is poorly understood. In particular, the initial repulsive behaviour seems to question the validity of linear elastic fracture mechanics (LEFM). In this thesis, we first studied EP-cracks in the LEFM framework. The study of the initial kink angle and the simulation of crack paths showed against all expectations that LEFM is able to reproduce qualitatively the hook-shaped paths. Precise predictions of specific characteristics, such as the magnitude of repulsion, requires a more refined model of the material behaviour. We then used a phase-field model to augment the material representation. As they are strongly influenced by the characteristic length scale of the phase-field, the new simulated trajectories indicate that it is possible to develop a more quantitatively correct model. An attractive prospect is to link this characteristic length to the material microstructure

Cette thèse décrit la construction d'un modèle de réseaux non-directionnels (e.g. réseaux routiers), fondé sur les contours actifs d'ordre supérieur (CAOSs) et les champs de phase développés récemment, et introduit une nouvelle famille des CAOSs des champs de phase pour des réseaux directionnels (e.g. réseaux hydrographiques en imagerie de télédétection, vaisseaux sanguins en imagerie médicale). Dans la première partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'analyse de stabilité d'une énergie de type CAOSs aboutissant à un ‘diagramme de phase'. Les résultats, qui sont confirmés par des expériences numériques, permettent une bonne sélection des valeurs des paramètres pour la modélisation de réseaux non-directionnels. Au contraire des réseaux routiers, les réseaux hydrographiques sont directionnels, i.e. ils contiennent un ‘flux' monodimensionnel circulant dans chaque branche. Cela implique des propriétés géométriques spécifiques des branches et particulièrement des jonctions, propriétés qu'il est utile de traduire dans un modèle, pour l'extraction de réseaux. Nous développons donc un modèle de champ de phase non-local de réseaux directionnels, qui, en plus du champ de phase scalaire décrivant une région par une fonction caractéristique lisse et qui interagit non-localement afin que des configurations de réseaux linéiques soient favorisées, introduit un champ vectoriel représentant le ‘flux' dans les branches du réseau. Ce champ vectoriel est contraint d'être nul à l'extérieur, et de magnitude égale à 1 à l'intérieur du réseau ; circulant dans le sens longitudinal des branches du réseau ; et de divergence très faible. Cela prolonge les branches du réseau ; contrôle la variation de largeur tout au long une branche ; et forme des jonctions non-symétriques telles que la somme des largeurs entrantes soit approximativement égale à celle des largeurs sortantes. En conjonction avec une nouvelle fonction d'interaction pour le champ de phase scalaire, le modèle assure aussi une vaste gamme de valeurs des largeurs stables des branches. Ce nouveau modèle a été appliqué au problème d'extraction de réseaux hydrographiques à partir d'images satellitaires très haute résolution.

Cette thèse porte essentiellement sur l'étude des solutions stationnaires, en dimension 1 d'espace, d'unmodèle de champs de phase cristallin introduit par Elder en 2002. Ainsi, nous prouvons, par la méthode deréduction de Lyapunov-Schmidt et la technique des multiparamètres, l'existence de courbes de solutionsbifurquantes stationnaires lorsque le noyau de l'opérateur linéarisé, au voisinage de la solution triviale estde dimension 2. Une parenthèse est ouverte pour la comparaison de l'énergie de la solution bifurquantepar rapport à celle la solution triviale. Aussi, grâce au principe de la stabilité réduite, nous fournissonsdes ensembles précis de valeurs des paramètres de bifurcation pour lesquelles les solutions obtenues sontstables ou instables. Ces résultats théoriques sont corroborés par plusieurs tests numériques.Par ailleurs, dans le cas classique du noyau unidimensionel, nous établissons des diagrammes de phasespermettant de comprendre les différentes orientations de courbes de solutions non triviales au voisinage dechaque point de bifurcation. / This thesis is devoted to the study of stationary solutions of a Phase Field Crystal model, in one spacedimension, introduced by Elder in 2002. Thus, we prove by the Lyapunov-Schmidt method of reductionand the multiparameter technique, the existence of the curves of bifurcating stationary solutions whenthe kernel of the linearized operator near to trivial solution is of two dimension. A parenthesis is open forcomparing the energies of the bifurcating solution and the trivial solution. Also, thanks to the principle ofreduced stability, we provide specific sets of parameter values for wich the obtained solutions are stable orunstable. These theoretical results are confirmed by several numerical tests.Moreover, in the classical case of a one dimensional kernel, we establish the phase diagrams allowing tounderstand the different orientations of non-trivial solutions curves near to of each bifurcation point.

Cette thèse s'intéresse aux méthodes de champs de phase pour l'approximation de mouvements par courbure moyenne. En particulier, nous proposons de nouveaux modèles pour prendre en compte des contraintes de volumes, des tensions de surfaces anisotropes et des angles de contact au bord du domaine d'évolution.