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

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

Cette étude traite de la prise en compte du gradient de contrainte et du frottement pour calculer l’amorçage de fissures en fatigue. On s’intéresse notamment au dimensionnement d’une manille en Inconel 718 munie de bagues en Inconel 718montées avec interférence. Pour cela, on réalise des essais de fretting et de fatigue pour étudier les conditions d’amorçage de fissures en présence de gradient de contrainte et de frottement. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l’effet du gradient des contraintes sur l’amorçage de fissures et justifient la prise en compte du gradient pour le dimensionnement en fatigue des structures. A travers ces essais balayant une gamme de gradient de contrainte étendue, on confirme que la présence d’un gradient de contrainte retarde l’amorçage de fissures. Les avantages et les inconvénients de plusieurs approches de fatigue multiaxiale intégrant le gradient de contrainte sont étudiés. De cette analyse, une proposition est faite permettant de décrire au mieux les résultats expérimentaux de fatigue et de fretting. Cette approche s’appuie sur l’utilisation d’une fonction de poids dépendant du gradient de la pression hydrostatique. Cette approche est similaire à des approches mises en oeuvre sur d’autres problématiques de fatigue ce qui permet de dégager quelques points de convergence pour traiter le problème du gradient de contrainte en fatigue. Un essai de fatigue sur une manille munie d’une bague montée avec interférence est réalisé. L’effet du gradient de contrainte sur l’amorçage de fissures dans ce système est trop faible pour que l’utilisation d’une approche intégrant l’effet de gradient soit pertinente. Cette observation est cohérente avec les résultats expérimentaux précédents obtenus dans cette étude. L’inconel 718 apparaît donc comme un matériau peu sensible à l’effet de gradient de contrainte. Une approche de fatigue multiaxiale de type Crossland permet une description raisonnable de la durée de vie du système. Une analyse numérique montre que la tenue en fatigue du système est peu sensible au coefficient de frottement alors que l’interférence a un impact beaucoup plus important. / This study focuses on the stress gradient effect and the friction to estimate the crack initiation condition in fatigue. The industrial application is a lug in Inconel 718 with shrink fitted rings also in Inconel 718.Fretting tests and fatigue tests are performed to measure crack initiation conditions with friction and stress gradient. The experimental results confirm the beneficial effect of the stress gradients on the fatigue crack initiation. These results justify the consideration of stress gradients to design structures against fatigue. Through these experiments which sweep over a large range of stress gradients, it is confirmed that stress gradient delays the crack initiation. The benefits and the drawbacks of several multiaxial fatigue approaches dealing with stress gradients are studied. Then, a proposal is done to describe accurately the experimental results of fatigue and of fretting. The proposal is based on a weight function and on the use of the gradient of hydrostatic pressure. This approach is very similar to some approaches already applied to other fatigue issues. This enables to highlight some similarities to deal with the effect of stress gradient in fatigue. Fatigue tests are finally performed on a lug with shrink fitted rings. The stress gradient effect on this application is too low to make relevant the use of a fatigue approach dealing with stress gradient. These experimental results are consistent with the previous results of fatigue and fretting. Therefore, the Inconel 718 appears as a low sensitive material to stress gradient. A multiaxial fatigue approach such the Crossland criterion enables to describe correctly the fatigue strength of this system. The numerical analysis shows that the fatigue strength of the system is not very sensitive to the coefficient of friction whereas the interference impacts significantly on the fatigue strength of the system.

Comme de nombreuses lois adoptées en matière pénale, la loi n° 2008-174 relative à la rétention de sûreté et à la déclaration d'irresponsabilité pénale pour cause de trouble mental du 25 février 2008 a été adoptée pour répondre au profond émoi de l'opinion publique suscité par la médiatisation de faits divers dramatiques. Cette loi comporte deux volets principaux : le premier porte sur la "rétention de sûreté" qui concerne les auteurs d'infraction présentant des troubles graves de la personnalité à l'origine "d'une particulière dangerosité", le second volet intitulé "déclaration d'irresponsabilité pénale pour cause de trouble mental" intéresse les personnes déclarées pénalement irresponsables en application de l'article 122-1 alinéa 1 du Code pénal. Même si ce second volet de la loi de 2008 a fait couler moins d'encre que le premier, il a tout de même soulevé, et soulève toujours à l'heure actuelle, de houleux débats. Composé de plusieurs dispositions inspirées de divers travaux qui s'étaient intéressés à cette question de l'irresponsabilité pénale pour cause de trouble mental et qui avaient abouti à la formulation de préconisations parfois surprenantes, ce second volet de la loi de 2008 a fait l'objet de vives critiques. Certaines de ces dispositions ont toutefois été unanimement approuvées. Après 5 ans d'application, quel bilan dresser de cette réforme ? Au stade de l'instruction, ce bilan est assez mitigé. Il semble en effet que certaines des modifications qui ont été opérées à l'occasion de la loi de 2008 présentent une utilité incontestable mais d'autres, au contraire, s'avèrent insuffisantes ou inutiles. / Like many other laws passed in criminal matters, law n° 2008-174, dated 25 february 2000, relating to security detention and criminal irresponsibility due to mental disorders, was adopted in response to the deep emotion of the public opinion generated by the media coverage of tragic events.This law has two main components : the first focuses on "security detention" for criminals with severe personality disorders, cause of a "particularly dangerous nature" ; the second part entitled "declaration of irresponsibility due to mental disorders" interested persons found not criminally responsible in application of article 122-1 § 1 of the Penal Code. While the second part of the 2008 law had a lesser media coverage than the first one, he raised and still raises heated debates. Composed of several dispositions inspired by various works related to the question of criminal responsibility due to mental disorders, that led to the formulation of sometimes surprising recommendations, the second part of the 2008 law was strongly criticized. Some of these dispositions, however, were unanimously approved. After five years of application, what conclusions should be drawn ? During the investigation phase, the results are somewhat mixed. It seems that some of the changes that were made on the occasion of the 2008 law have an uncontestable utility, but, others, however, are insufficient or unnecessary.

Le chapitre 9 de L'Eurocode 3 est le moyen le plus utilisé par les ingénieurs pour prédire la durée de vie des joints soudés, mais ce code ne donne qu'une seule courbe de résistance en fatigue pour chaque type de joint soudé, quel que soit l'acier utilisé. La résistance à la fatigue des assemblages soudés est particulièrement sensible à la géométrie du cordon déposé, ainsi qu'aux champs de contraintes introduits, soit par le procédé de soudage, soit par les défauts microscopiques inclus dans le soudage. Nous avons donc besoin d'une méthode locale telle la méthode volumétrique, qui a donné de bons résultats en fatigue, pour déterminer la contrainte effective dans la zone plastifiée à côté du cordon de soudure. Une étude numérique est réalisée sur un caisson soudé. La distribution et le gradient de contrainte permettent de calculer la contrainte effective. Les résultats numériques, comparés aux résultats expérimentaux, ont validé la méthode volumétrique sur ce type de structures soudées / The Chapter 9 of Eurocode 3 is one of the most widely adapted codes for fatigue life prediction of welded joints, the drawback of this code being the single curve fatigue strength for each type of welded joint produced regardless of the type of steel used. The fatigue strength of welded joints is particularly sensitive to the geometry of the weld bead and the stress fields which could potentially be introduced by the welding process or by other microscopic defects introduced by the welding. In this study the volumetric method, which has proven its validity in the study of fatigue, has been used to determine the effective stress in the plastic zone near the weld bead. Numerical simulations have been performed on a welded box to determine the stress distribution and gradient which would allow proper calculation of the effective stress. Both numerical simulations and experimental results support the validity of the volumetric method for such type of welded structures

L'objectif de notre étude est de mettre en évidence les synergies existantes entre les différents facteurs de vieillissement lors de la dégradation d’un revêtement polymère modèle, représentatif d’une peinture anticorrosion.Notre travail a consisté à suivre le vieillissement hygrothermique du système DGEBA/TETA sous forme de film libre et de revêtement déposé sur substrat acier dans différentes solutions (eau pure et NaCl 3%) pour différentes températures et contraintes mécaniques visco-élastique appliquées. Nos résultats ont montré que le programme de cuisson affectait les propriétés physico-chimiques et mécaniques du système initial et que l’absorption d’eau, non homogène, suivait une loi non-Fickienne, suite à un phénomène de gonflement.La prise en eau et la diffusion ont été caractérisées par gravimétrie et spectroscopie d’impédance électrochimique. Nos résultats montrent que les propriétés barrière du revêtement diminuent avec la quantité d’eau absorbée et avec la température de vieillissement. Cependant, la contrainte plane appliquée sur le système tend à contrarier cet effet. La formalisation de nos observations expérimentales dans le cadre d’une approche thermodynamique a montré l’effet prépondérant de la partie entropique par rapport à la partie enthalpique de l’énergie d’activation des processus de transport de l’eau, en raison de l’orientation des chaînes sous l’action de la contrainte. De plus, une diminution de la permittivité relative du revêtement sec a été observée en fonction de la température et de la contrainte appliquée, indépendamment de son signe (tension ou compression). Dans ce cas, la contribution enthalpique semble être prépondérante. / The objective of this study is to highlight synergies existing between different ageing factors during the degradation of a polymer model coating system, representing an anti-corrosion coating.We first monitored the hygrothermal ageing of DGEBA/TETA system as free films and as attached films onto a steel substrate in different solutions (water and NaCl 3wt% solution) for different temperatures and applied mechanical visco-elastic stresses. Our results showed that the curing programs affected the physic-chemical and mechanical properties of the cured systems and that the non-homogeneous water uptake process followed a non-Fickian law, due to a swelling phenomenon.The water uptake and diffusion were characterized by gravimetry and electrochemical impedance spectroscopy. The results indicate that the barrier properties of the coating decrease with the quantity of absorbed water in system and with the increasing of the ageing temperature. However, the planar stress applied onto the system tends to counteract this effect. The formalization of our experimental observations within a thermodynamic approach showed the predominant effect of the entropic part in comparison with enthalpic part of the activation energy of the water uptake process, due to the reorientation of polymer chains under the applied stress. In addition, a decrease in the relative permittivity of the initial dry coating was observed as a function of the temperature and the applied stress, regardless of its sign (tension and compression). In this case, the enthalpic contribution seems to be predominant.

Les conditions de déplacement de l'huile en géométries simples sont étudies en fonction des caractéristiques bien identifiables de fluides viscoélastiques. Dans ces expériences de déplacement immiscible, une huile de viscosité inférieure sera déplacée par un fluide newtonien de référence et par des fluides viscoélastiques que nous allons choisir, formuler et caractériser. Les expériences de déplacement dans une cellule Hele-Shaw mettent en évidence que le caractère élastique des formulations modifie les conditions de déplacement, surtout à vitesses élevées. De même nous pouvons observer une série d'expériences où la tension interfaciale du système fluide – huile a été diminuée pour monter que l'effet de l'élasticité apparaît sous ces conditions. Nous pouvons aussi observer comme les tendances se maintiennent à niveau microscopique, où la pénétration des fluides viscoélastiques dans des pores modèle est plus prononcée par rapport a un fluide newtonien. Finalement nous proposons un modèle simple qui prend en compte les propriétés élastiques des fluides en la déformation de l'interface fluide / huile que donne comme résultat une différence dans le déplacement immiscible quand on compare par rapport aux fluides newtoniens / Conditions of oil displacement in simple geometries are studied according to clearly identifiable characteristics of viscoelastic fluids. In these immiscible displacement experiments, a lower viscosity oil will be displaced using a reference Newtonian fluid and viscoelastic fluids that we will select, develop and characterize. The displacement experiments in a Hele-Shaw cell show that the elastic nature of formulations alters displacement conditions, especially at high velocities. Similarly we can observe a series of experiments in which the interfacial tension of the system fluid-oil was decreased to show that the effect of the elasticity appears under these conditions. We can also observe how the trends remain at the microscopic level, where the penetration of viscoelastic fluids in a model pore is more pronounced compared to a Newtonian fluid. Finally we propose a simple model which takes into account the elastic properties of fluids in deformation of the fluid-oil interface that results in a difference for immiscible displacement when compared to Newtonian fluids

Durant la phase de construction des puits pétrolier, le ciment est coulé dans l'espace annulaire entre le cuvelage et la roche environnante. La gaine de ciment a pour but de tenir le cuvelage, garantir l'étanchéité des puits pétroliers, ou des réservoirs de stockage de CO2, et de protéger le cuvelage de la corrosion. Au cours de la vie du puits, cette gaine de ciment est soumise tout le long du puits à des sollicitations thermiques et mécaniques qui varient au cours du temps et qui peuvent modifier ses propriétés et altérer son étanchéité. L'objet de cette thèse est d'étudier l'effet de la température et des contraintes sur les propriétés mécaniques de la pâte de ciment en cours de prise et de la pâte de ciment durcie. L'approche est basée sur une étude expérimentale qui combine des essais calorimétriques, des mesures de vitesse des ondes et des essais oedométriques avec le système des cellules STCA (Slurry To Cement Analyzer) sur le ciment en cours de prise ainsi que des essais de compression uniaxiale et triaxiale sur la pâte de ciment durcie. Les résultats expérimentaux ont montré que la température et la pression accélèrent la cinétique d'hydratation et que la température affecte significativement les propriétés élastiques du matériau tandis que la pression ne les influence pas pour une gamme de pression limitée à 20MPa. Une modélisation de la cinétique d'hydratation associée à une technique d'homogénéisation est proposée afin d'interpréter les essais. On a mis aussi en évidence que lorsque la prise se fait sous contraintes mécaniques, des déformations irréversibles peuvent se développer dans la pâte de ciment, ce qui peut conduire à la formation d'un micro-annulaire entre la gaine ciment, le cuvelage et la formation géologique. Le comportement différé de la pâte de ciment durcie a été étudié à partir d'essais de fluage uniaxiaux et d'essais de compression isotrope. Les essais ont mis en évidence que le fluage sous chargement uniaxial est plus important pour un ciment hydraté à une température plus élevée, ce qui est attribué à une microstructure plus hétérogène. Un modèle visco-endommageable permettant de reproduire les phases de fluage primaire et tertiaire a été développé. Les essais de compression isotrope drainés et non-drainé isothermes sous forte contrainte ont montré un comportement différé avec hystérésis lors de cycles décharge-recharge. Ces essais ont été analysés à partir d'un modèle de comportement poro-visco-plastique. Le comportement élastoplastique à court terme a été abordé à l'aide des essais triaxiaux sous chargement déviatorique drainé. Ces essais ont mis en évidence que la température d'essai affecte fortement la surface de charge initiale et les déformations tandis qu'elle ne modifie pas significativement la surface de rupture. Un modèle de plasticité avec une surface de charge fermée et un écrouissage dépendant des déformations plastiques accumulées a été développé pour décrire ces essais. Enfin, une étude préliminaire sur les effets des cycles mécaniques et thermiques a été menée. Des cycles thermiques ne dépassant pas la température d'hydratation ne semblent pas affecter les propriétés mécaniques du matériau. Cependant, une dégradation très rapide avec le nombre de cycles mécaniques a été mise en évidence lorsque la contrainte dépasse 60% de la résistance en compression simple / During the construction phase of oil wells, a cement slurry is pumped into the annular space between the casing and the rock. The cement sheath aims to support the casing, provide zonal isolation in the well and reservoirs of CO2 storage and protect the casing against corrosion. During the life of the well, the cement is submitted to various thermal and mechanical solicitations along the well that can modify its mechanical properties and damage its sealing performance. The aim of this thesis is to study the effect of temperature and stresses on the mechanical properties of cement paste during hydration and in the hardened state. The used approach is based on an experimental study that combine the calorimetric tests, waves velocity measurement and oedometric tests in STCA system (Slurry To Cement Analyzer) on cement paste during hydration as well as the uniaxial and triaxial compression tests on hardened cement paste. The experimental results showed that temperature and pressure accelerate the kinetics of hydration. Temperature affects significantly the elastic properties of the material whereas the pressure does not modify them for a range of pressure limited to 20MPa. A hydration kinetics modelling associated to a homogenization method is used to interpret the tests. It is shown that for hydration under stress, the irreversible strains can evolve in the cement paste and conduct to the formation of a micro-annular between the cement sheath, the casing and geological formation. The time-dependent behaviour of hardened cement paste is studied using creep tests under uniaxial loading and also from the results of isotropic compression tests. The results show that the uniaxial creep is more important for cements hydrated at higher temperatures, which is attributed to a more heterogeneous microstructure. A visco-damaged model allowing to reproduce the primary creep and tertiary creep is developed and calibrated. Isothermal isotropic drained and undrained compression tests show a time-dependent behaviour with hysteresis during unloading-reloading cycles. These tests are analyzed on the basis of a poro-visco-plastic model. The elastoplastic behaviour in short terms is studied from triaxial tests under drained deviatoric loading. These tests bring to light that the test temperature affects highly the initial yield surface and the strains but it does not significantly modify the failure surface. A model of plasticity with a closed yield surface and hardening, depending on the accumulated plastic strains is developed to describe these tests. Finally, a preliminary study on the effect of mechanical and thermal loading cycles is performed. The thermal loading cycles with temperatures lower than the hydration temperature seem to do not affect the mechanical properties of the material. The mechanical loading cycles show a rapid degradation with the number of loading cycles when the axial stress exceeds 60% of the uniaxial strength

Ce travail de thèse consiste en l'étude des mécanismes de formation de CoSi2 par diffraction X in-situ et son intégration dans un simulateur commercial TCAD (Technology Computer Aided Design). Nous avons observé que la formation du CoSi2 est contrôlée par la germination dans les premiers instants de la réaction où les germes croissent latéralement jusqu'à leur coalescence. Cette dernière marque la modification du mécanisme de croissance qui est alors contrôlée par la diffusion. En fin de réaction, la source de CoSi s'épuise en formant des îlots en surface du CoSi2 et ralentit sa vitesse de formation. Nos études ont permis d'établir des cinétiques de croissance pour ces différents régimes. Nous avons également montré que pour l'épaisseur la plus fine de notre étude, la croissance de CoSi2 n'est contrôlée que par celle des germes. La cinétique de formation de CoSi2 a été étudiée en fonction du dopage du substrat.L'évolution des contraintes des films de CoSi2 est également analysée. Ce dernier croit en compression.Nous avons développé un modèle TCAD en deux dimensions permettant de réaliser la croissance séquentielle des siliciures de cobalt et de reproduire avec un bon accord les cinétiques de croissances de CoSi2.Les redistributions de l'arsenic, du phosphore et du bore aux interfaces CoSi/Si et CoSi2/Si sont également analysées en prévision de la simulation électrique de composants siliciurés.Dans ce travail nous apportons une meilleure compréhension des mécanismes de croissance du CoSi2. Nous proposons un outil de simulation prédictif pour la formation des siliciures de cobalt qui apporte donc une aide à l'optimisation du procédé SALICIDE (Self Aligned siLICIDE). / The aim of this thesis is to study the growth of CoSi2 thin films using in-situ x-ray diffraction and to model it in a commercial TCAD (Technology Computer Aided Design) simulator.. We observed that the first instant of the reaction is limited by nucleation where the CoSi2 nuclei laterally grow until their coalescence. Then, the homogeneous CoSi2 layer grows by a diffusion limited mechanism. At the end of the reaction, the CoSi source run out and decrease the CoSi2 formation rate. Kinetics of these growth behaviors has been quantified. We also observed that the thinnest CoSi2 layer of our study only the CoSi2 nuclei growth take place.Influence of dopants on the CoSi2 kinetics of formation has also been studied. Arsenic decreases the CoSi2 rate of formation. However Boron does not impact the growth of CoSi2.During CoSi2 growth, stress is monitored using x-ray diffraction showing that cobalt disilicide forms in compression.From these experimental results, we developed a TCAD model in one dimension in order to simulate the sequential growth of cobalt silicides. Kinetics of formation of CoSi2 is also in good agreement with our results.The application in two dimensions of this model reproduces the morphology of 2D silicided structures as the lack of silicide under the spacers.Redistributions of Arsenic, Boron and Phosphorus are also studied in expectation of the electrical simulation of silicided components.In this word we provide a better comprehension of the growth of cobalt disilicide used in the silicidation process. We also provide a simulation tool for the silicide formation in order to help the optimization of the SALICIDE (Self Aligned siLICIDE) process.

La détermination des distributions de contrainte et de déformation dans des matériaux opaques est une question clé pour évaluer leur comportement sous des conditions de chargement souvent complexes. La plupart des méthodes expérimentales utilisées aujourd’hui pour traiter ce problème sont des méthodes invasives ou bien inefficaces pour les matériaux opaques. Dans ce contexte nous proposons d’utiliser le signal de Résonance Quadripolaire Nucléaire (RQN) de petits cristaux, utilisés comme charge, dans des matériaux peu ou pas conducteurs. Les contraintes transmissent par la matrice au cristal induisent une déformation de son réseau cristallin qui à son tour induit une modification de sa fréquence RQN. La RQN est, par conséquent, sensible aux déformations induites par une contrainte mécanique externe et le cristal agit comme une jauge de contrainte à l’échelle du micron. Nous appelons cette méthode la piézospectroscopie RQN.L’objectif de cette étude est de prouver que l’on peut utiliser la piézospectroscopie RQN pour mesurer des contraintes au sein de matériaux opaques et plus précisément au sein d’élastomères. Le lien fondamental entre la variation de fréquence RQN et le tenseur de contrainte appliqué au cristal a été étudié. Pour cela nous avons choisi le 63Cu dans la cuprite comme sonde RQN. Expérimentalement, la dépendance à la contrainte de la fréquence RQN est mesurée en utilisant différentes sollicitations mécaniques générées par des montages originaux intégrant mesure de contrainte et de RQN. Les résultats ainsi obtenus sont discuté en regard de calculs quantiques basés sur la DFT.En outre, comme preuve de concept de la piézospetroscopie RQN, nous avons réalisé des expériences supplémentaires en utilisant des conditions de chargement qui nous ont permis de démontrer, sans faire d’hypothèses sur les propriétés mécaniques du Cu2O, que la variation de fréquence RQN est représentative de la composante hydrostatique du champ de contrainte interne de l’élastomère. Nous avons ensuite étudié la capacité de cette méthode à cartographier un champ de contrainte hétérogène. / The determination of stress and strain distributions in opaque materials is a key issue to evaluate their mechanical behavior. However, most of the methods used today to measure stress are either extremely invasive or ineffective for opaque materials. Within this context, we propose to use the Nuclear Quadrupolar Resonance (NQR) signal of small crystals, embedded within non, or poorly, conductive materials. Stresses transferred by the matrix to the crystal induce a deformation of its lattice which in turn results in a modification of the Electric Field Gradient (EFG) at the nucleus of interest. NQR is, as a consequence, sensitive to deformations induced by external mechanical stress and the crystals act as local stress gauges at the micron-scale. We call this method NQR piezospectroscopy.The objective of this study is to prove that NQR piezospectroscopy can be used to measure stress within opaque materials and more precisely within elastomer. The fundamental link between the NQR frequency variation and the stress tensor applied to the crystal has been studied. For that purpose, 63Cu in cuprite has been selected as a NQR probe. The stress dependence of its NQR frequency is investigated experimentally using different mechanical loadings generated within an original integrated NQR – stress device and discussed in the light of DFT ab-initio calculations.In addition, as proof-of-concept of NQR piezospectroscopy, additional experiments were carried out using loading conditions proving, without hypothesis on cuprite’s mechanical properties, that its NQR frequency shift is representative of the hydrostatic component of the elastomer inner stress field. We then investigated the ability of this method to map an heterogeneous stress field.