En usinage, la zone de coupe présente des conditions de température, des cinétiques thermiques, des déformations et des pressions extrêmes. Dans ce contexte, être capable de relier les variations des conditions de coupe (vitesse de coupe, avance, lubrification, usure, outil,...) à l'intégrité de la surface usinée constitue un objectif scientifique majeur. Cette thèse s'intéresse au cas du tournage finition du 15-5PH (acier inoxydable martensitique utilisé, entre autre, pour la fabrication des pièces de rotor d'hélicoptère ainsi que les pompes et les vannes de circuit primaire de centrale nucléaire) et s'inscrit dans le cadre du projet MIFSU (Modélisation de l'Intégrité et de la Fatigue des Surfaces Usinées).Dans un premier temps, le comportement du matériau a été étudié afin d'alimenter les simulations d'usinage. Des essais de dilatométrie libre ont été conduit afin de calibrer les cinétiques d'austénitisation du 15-5PH pour des vitesses de chauffe élevées (jusqu'à 11000 °C/s). Les paramètres du modèle de changement de phase de Leblond ont alors été identifiés. De plus, des essais de compression dynamique (dε/dt allant de 0.01 à 80 /s et ε > 1) ont été réalisés pour calibrer une loi de comportement élasto-plastique aux grandes déformations avec une sensibilité à la vitesse de déformation. Ces essais ont aussi permis de mettre en évidence des phénomènes de recristallisation dynamique et leurs influences sur la contrainte d'écoulement du matériau. Un modèle de recristallisation dynamique a donc également été mis en œuvre.En parallèle, un modèle numérique de prédiction de l'intégrité des surfaces tournées a été construit. Ce modèle repose sur une méthodologie dite " hybride " (développée au cours de la thèse Frédéric Valiorgue pour l'acier AISI 304L) qui consiste à supprimer la modélisation de l'outil de coupe et de la formation du copeau, et à remplacer l'impact thermomécanique de ces derniers sur la surface usinée par des chargements équivalents. Une étape de calibration de ces chargements a donc été réalisée à travers des essais de coupe orthogonale et de frottement (étude de sensibilité des efforts d'usinage, du coefficient de frottement et du coefficient de partage thermique) aux variations des paramètres de coupe.Enfin, les résultats des simulations numériques de tournage portant sur la prédiction des changements de microstructure (austénitisation et recristallisation dynamique) ainsi que des contraintes résiduelles ont été comparés aux résultats issus d'une campagne d'essais de chariotage.

La fabrication additive (FA) est devenue une nouvelle alternative pour la fabrication des pièces dans l'industrie. Cependant, il existe encore des limites pour ce procédé, en particulier la forme finale défavorable et les propriétés macroscopiques indésirables des pièces métalliques construites dans les systèmes de FA. La distorsion ou la fissure due à la contrainte résiduelle de ces pièces pose généralement de graves problèmes pour certains types de technologie de la FA métallique. Dans un système de FA, la qualité finale d'une pièce métallique dépend de nombreux paramètres de procédé, qui sont normalement optimisés par une série d'expériences sur des machines de FA. La simulation macroscopique dédiée au procédé de FA est une alternative potentielle pour les pièces métalliques fabriquées par la fabrication additive. Dans cette thèse, nous étudions d'abord le pré-processing de la simulation de FA par la méthode des éléments finis (FEM). Le procédé de fabrication additive est un phénomène multi-physique des champs couplés (champs thermique, mécanique et métallurgique). La simulation macroscopique est réalisée à deux niveaux différents. Au niveau de la couche, la reconstruction du modèle 3D est effectuée à partir du fichier de chemin de balayage de la machine de FA, basée sur la manipulation inverse de l'algorithme d'offsetting-clipping. Au niveau de la pièce, le modèle 3D de CAO est reconstruit dans un maillage des voxels, ce qui est pratique pour une pièce avec une géométrie complexe. Avec les températures de préchauffage différentes et les paramètres du procédé différents, la contrainte résiduelle d'une pièce est analysée. Ces simulations impliquent la technique potentielle pour réduire la contrainte résiduelle par l'optimisation des paramètres du procédé, au lieu de moyens traditionnels par augmenter la température de préchauffage. Basées sur la plateforme de simulation de FEM ci-dessus, deux simulations au niveau de ligne sont également étudiées dans cette thèse, visant à la relation entre le procédé de FA et la qualité finale de la pièce. Ces exemples démontrent la possibilité d'utiliser des simulations macroscopiques pour améliorer le contrôle de la qualité pendant le procédé de FA. Dans la première tâche, l'ensemble de données des paramètres de chauffage et la contrainte résiduelle sont générés par la simulation de FA. La corrélation entre eux est étudiée en utilisant des algorithmes de régression, tel que le réseau neuronal artificiel. Dans la deuxième tâche, un contrôleur de PID pour la boucle de rétroaction puissance-température est intégré dans la simulation de procédé de FA et l'auto-réglage de PID est numériquement étudié au lieu d'utiliser la machine de FA. Les deux tâches montrent le rôle important de la simulation de procédé macroscopique de FA, qui peut remplacer ou combiner les nombreuses expériences essai-erreur dans la fabrication additive métallique. / Additive manufacturing (AM) has become a new option for the fabrication of metallic parts in industry. However, there are still some limitations for this application, especially the unfavourable final shape and undesired macroscopic properties of metallic parts built in AM systems. The distortion or crack due to the residual stress of these parts leads usually to severe problems for some kinds of metal AM technology. In an AM system, the final quality of a metallic part depends on many process parameters, which are normally optimized by a series of experiments on AM machines. In order to reduce the considerable time consumption and financial expense of AM experiments, the numerical simulation dedicated to AM process is a prospective alternative for metallic part fabricated by additive manufacturing. Because of the multi-scale character in AM process and the complex geometrical structures of parts, most of the academic researches in AM simulation concentrated on the microscopic melting pool. Consequently, the macroscopic simulation for the AM process of a metallic part becomes a current focus in this domain. In this thesis, we first study the pre-processing of AM simulation on Finite Element Method (FEM). The process of additive manufacturing is a multi-physics problem of coupled fields (thermal, mechanical, and metallurgical fields). The macroscopic simulation is conducted in two different levels with some special pre-processing work. For the layer level, the reconstruction of 3D model is conducted from the scan path file of AM machine, based on the inverse manipulation of offsetting-clipping algorithm. For the part level, the 3D model from CAD is reconstructed into a voxel-based mesh, which is convenient for a part with complex geometry. The residual stress of a part is analysed under different preheat temperatures and different process parameters. These simulations imply the potential technique of reducing residual stress by the optimisation of process parameters, instead of the traditional way by increasing preheat temperature. Based on the FEM simulation platform above, two simulations at line level are also studied in this thesis, aiming at the relation between the AM process and part's final quality. These examples demonstrate the feasibility of using macroscopic simulations to improve the quality control during the AM process. In the first task, dataset of heating parameters and residual stress are generated by AM simulation. The correlation between them is studied by using some regression algorithm, such as artificial neural network. In the second task, a PID controller for power-temperature feedback loop is integrated into AM process simulation and the PID auto-tuning is numerically investigated instead of using AM machine. Both of the two tasks show the important role of AM macroscopic process simulation, which may replace or combine with the numerous trial and error of experiments in metal additive manufacturing.

Les oxydes sont des matériaux complexes possédant une physique riche et toujours au centre de nombreuses recherches. Parmi ces oxydes, les manganites ont retenu notre attention car ils présentent une transition métal-isolant abrupte en température, générant un très fort coefficient en température en conditions d’environnement standards. L’objectif de ce travail est de démontrer que ce fort coefficient peut être exploité pour l’amélioration des performances des jauges de pression de type Pirani qui subissent un certain essoufflement dans leur développement. La voie menant à l’aboutissement d’une telle jauge à base d’oxydes pose en revanche un certain nombre de limites technologiques à lever et auxquelles nous avons répondu. La première de ces limites concerne l’intégration des oxydes monocristallins sur silicium, que nous avons reproduite et étendue au cas des substrats de type SOI et GaAs. Nos procédés proposent de passer par deux techniques, l’épitaxie par jets moléculaire et l’ablation laser, pour assurer une croissance optimale de nos films sur ces substrats et d’assurer la reproductibilité de leur réponse en température, notamment la position de leur température de transition en accord avec l’état de l’art. L’épitaxie de ces oxydes génère un niveau de contrainte non négligeable qui n’a jamais été mesuré. En concevant divers dispositifs autosupportés, et en s’appuyant sur les considérations théoriques et des modélisations par éléments finis, nous avons pu quantifier la relaxation de cette contrainte importante et assurer près de 100% de reproductibilité des systèmes suspendus. Ces mêmes systèmes nous permettent de caractériser pour la première fois le facteur de jauge des manganites monocristallines par l’application d’une contrainte contrôlée par nanoindentation. Il est également démontré qu’ils constituent des jauges de pression Pirani à la sensibilité accrue de deux ordres de grandeur pour une consommation en puissance réduite. Des solutions permettant d’améliorer l’ensemble des aspects de ces jauges sont étudiées. / Functional perovskite oxides are of great interest for fundamental and applied research thanks to the numerous physical properties and inherent mechanisms they display. With the maturation of thin film deposition techniques, research teams are able to reproduce oxide films and nanostructures of great crystalline quality with some of the most remarkable properties found in physics, a state leading now to upper-level thoughts like their ability to fulfill industrial needs. This thesis work is an answer to some of the problematics that arise when considering the oxide transition from the research to the industrial world, by focusing on their integration for micromechanical devices (MEMS) such as sensors. In order to ease the access to MEMS manufacturing, it is of importance to allow the deposition of thin oxide films on semiconductor substrates. A first study show that these access bridges can be crossed when using appropriate buffer layers such as SrTiO3 deposited on Silicon or gallium arsenide – produced in close collaboration with INL by Molecular Beam Epitaxy - and yttria-stabilized zirconia directly grown on silicon by pulsed laser deposition, which adapts the surface properties of the substrate to perovksite-based materials. Formation of thin epitaxial and monocristalline films of functional oxides is thus allowed on such buffer layers. As an example, characterization of two mixed-valence manganites La0.80Ba0.20MnO3 and La0.67Sr0.33MnO3 demonstrates that both materials are of excellent crystalline quality on these semiconducting substrates and that their physical characteristics match the one found on classical oxide substrates like SrTiO3. Stress evolution in thin films, which has a major effect in epitaxial materials, is then addressed to quantify its impact on oxide microstructure viability. This work gives an identification of the most significant factors favoring stress generation in the case of the films we produced. Then, based on the deformation measurement of free-standing cantilevers made of manganites on pseudo-substrates, and with the support of appropriate analytical models, a new state of equilibrium is established, giving new information about the evolution of static stress from deposition to MEMS device manufacturing. Solutions to manage their reproducibility is then studied. From another perspective, free-standing microstructures made of monocristaline manganites were used to display the effect of dynamical strain on their electrical resistivity (piezoresistivity) and their inherent structures.Finally, a specific example of the capabilities of reproducible free-standing microbridges made of manganites is presented through the conception of a pressure gauge based on Pirani effect. Indeed, it is shown that the abrupt resistivity change this material exhibits near their metal-to-insulating transition creates high temperature coefficients in standard application environments that can be taken as an advantage to improve the sensibility and power consumption of such gauges whose development had significantly slowed down over the past years. A set of improvements on their sensitivity range and their signal acquisition is also presented. Combined to a specific and innovative package, it is also demonstrated that Pirani gauge capabilities can be enhanced and that the complete devices fulfill embedded application requirements.

Le but de cette étude est d'établir une loi de comportement macroscopique viscoplastique d'un composite à matrice métallique renforcé par des fibres courtes. La construction du modèle s'appuie sur des résultats expérimentaux et numériques, ainsi qu'une approche analytique sur la localisation. Une étude expérimentale a été nécessaire afin d'observer, en particulier, l'évolution du domaine élastique en fonction de la température, des déformations plastiques et du temps. Des essais en traction-compression et des chargements cycliques pour plusieurs températures et dans les directions d'anisotropie du matériau ont été réalisés. Des calculs numériques par éléments finis en viscoplasticité réalisés sur une cellule élémentaire représentative du composite, ont permis de quantifier les contraintes résiduelles et les déformations plastiques résultant du traitement thermique de fabrication. La réponse macroscopique du composite est ensuite étudiée pour différents chargements. Le modèle théorique est construit sur la base de techniques d'homogénéisation, en particulier, l'homogénéisation des milieux périodiques, qui fait appel à des calculs par éléments finis, et la méthode de l'inclusion équivalente purement analytique. Une relation de localisation généralisée est obtenue à partir des travaux de Dvorak, permettant de relier entre elles les variables mécaniques globales et locales. Moyennant certaines hypothèses simplificatrices, il est possible d'établir une loi de comportement purement macroscopique. Cette loi de comportement thermo-élasto-viscoplastique peut prendre en compte, les effets et l'évolution des contraintes résiduelles de fabrication ainsi que l'anisotropie initiale du matériau et son évolution au cours d'un écoulement viscoplastique.

Les whiskers, filaments métalliques qui poussent sur des surfaces métalliques, sont unproblème très important pour la fiabilité des composants électroniques. Depuis ces dernièresannées, il y a eu un regain d’intérêts industriels dans le domaine de la croissance des whiskers,principalement en raison de la miniaturisation des dispositifs électroniques et des réglementationsenvironnementales interdisant l'utilisation du plomb.Alors que la plupart des recherches concernent les whiskers d'étain, il y a encore peu detravaux sur les whiskers de zinc. Les revêtements d’électrodéposés de zinc sont utilisés commeprotection anticorrosion pour les aciers faiblement alliés dans diverses industries, commel'automobile, l'aéronautique ou l'énergie, ainsi que dans les structures de soutien ou les planchersfaux plafonds dans les centres de données informatiques. Afin d'atténuer, de prévenir et deprédire les défaillances causées par les whiskers de zinc, les mécanismes de sa croissance doiventêtre compris.Grâce à des tests de stockage accéléré et à des observations par microscopie électronique àbalayage (MEB), la cinétique de croissance des whiskers de zinc a été étudiée sur des tôles d'acierau carbone faiblement allié, galvanisé et chromé. Afin de comprendre les mécanismes de lacroissance des whiskers de zinc, la caractérisation quantitative ainsi que les excroissances (densité,volume et vitesse de croissance) ont été reliées aux paramètres suivants: la température, le bainpour l’électrodéposition du zinc, la chromatation, l’épaisseur du substrat d’acier, l’épaisseur durevêtement de zinc ainsi que la contrainte résiduelle.En outre, la microstructure et la cristallographie du revêtement de zinc, des racines deswhiskers ainsi que des whiskers elles-mêmes ont été étudiées par diffraction des électronsrétrodiffusés (EBSD), microscopie électronique à transmission (MET), microanalyse par rayon X(EDX) et le dispositif ASTAR pour l'orientation locale des grains; la préparation des échantillonsa été réalisée à l’aide d’un faisceau d'ions focalisés (FIB). La recristallisation ainsi que lesdislocations dans les whiskers et les excroissances ont été observés; aucun composéintermétallique n’a été observé que ce soit dans les échantillons issus de différents bainsélectrolytes ou encore dans les films / whiskers.Il a été montré que la relaxation de contrainte de compression résiduelle et la croissance deswhiskers sont deux phénomènes différents mais fortement reliés et thermiquement activés.Chacun d'entre eux suit un mécanisme différent; les énergies d'activation apparentes des deuxphénomènes ont été établies, et la diffusion aux joints de grains est proposée comme le principalmécanisme de diffusion pour la croissance des whiskers.Des cinétiques de la croissance des whiskers, à la fois analytique et phénoménologique sontproposées. Une bonne estimation de la croissance des whiskers et de leur vitesse de croissance àdes températures proches des conditions de fonctionnement est obtenue par comparaison avecles données expérimentales. / Whiskers, conductive metallic filaments that grow from metallic surfaces, are a very importantissue for reliability of electronic components. Through recent years, there has been a renewedindustrial interest on whisker growth, mainly due to the miniaturization of electronic devices andthe environmental regulations forbidding the use of lead.While most of the research has been focused on tin whiskers, there is still little reference tozinc whiskers. Electroplated zinc coatings are actually used as anticorrosive protection for lowalloy steels in diverse industries such as automotive, aerospace or energy, as well as for supportstructures or raised-floor tiles in computer data centers. In order to mitigate, prevent and predictthe failures caused by the zinc whiskers, the mechanisms of growth must be understood.By accelerated storage tests and Scanning Electron Microscopy (SEM) observation, kinetics ofgrowth of zinc whiskers was studied on low alloy chromed electroplated carbon steel.Quantitative characterization of both whisker and hillocks (density, volume and growth rate) wasrelated with the parameters temperature, electroplating electrolyte, presence of chrome, steelsubstrate thickness, zinc coating thickness and residual stress, in order to understand themechanisms of growth.Additionally, both microstructure and crystallography of zinc coating, whisker roots and actualwhiskers were studied by Electron Backscatter Diffraction (EBSD), Transmission ElectronMicroscopy (TEM), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and local grain orientationwith ASTAR setup, using Focused Ion Beam (FIB) for samples preparation. Recrystallization aswell as dislocations were observed in both whiskers and hillocks; no intermetallic compoundswere seen in neither electroplated nor whiskers.It is found that compressive residual stress relaxation and whiskers growth are two differentbut strongly interconnected phenomena both thermally activated, an each of them follows adifferent mechanism; apparent activation energies of the two phenomena are calculated, andgrain boundary diffusion is established as the main diffusion mechanism for whiskers growth.Whiskers growth kinetics, both analytical and phenomenological is proposed. Goodestimation of whiskers growth and whiskers growth rate at temperatures close to operationconditions is obtained when compared with experimental data. / Whiskers, filamentos metálicos que crecen en superficies metálicas, son un problema muyimportante para la fiabilidad de componentes electrónicos. Durante los últimos años, ha habidoun renovado interés industrial en el crecimiento de whiskers, debido principalmente a laminiaturización de dispositivos electrónicos y a las regulaciones ambientales que prohíben lautilización de plomo.La mayoría de las investigaciones se concentran en los whiskers de estaño y hay todavía pocostrabajos sobre los whiskers de zinc. Los recubrimientos de zinc electrodepositado son utilizadoscomo protección anticorrosión para los aceros de baja aleación en diversas industrias, comoautomotriz, aeronáutica o energética, así como en la estructuras de soporte o tejas de techosfalsos en los centros de datos informáticos. Para atenuar, prevenir y predecir las fallas causadaspor los whiskers de zinc, los mecanismos de crecimiento deben ser comprendidos.Gracias a experimentos de almacenamiento de muestras y a observaciones por microscopíaelectrónica de barrido (SEM), la cinética de crecimiento de whiskers de zinc ha sido estudiada enaceros de baja aleación recubiertos de zinc y cromados. Para comprender los mecanismos decrecimiento de whiskers de zinc, la caracterización cuantitativa de whiskers y de protuberancias(densidad, volumen y velocidad de crecimiento) fue relacionada con los parámetros siguientes:temperatura, electrolito usado en la electrodeposición de zinc, cromado, espesor del substrato deacero, espesor del recubrimiento de zinc al igual que el estrés residual.Adicionalmente, microestructura y cristalografía del recubrimiento de zinc, de raíces dewhiskers así como de los propios whiskers fueron estudiadas por medio de la difracción deelectrones por retrodispersión (EBSD), microscopía electrónica de transmisión (TEM),microanálisis por rayos X (EDX) y el dispositivo ASTAR para la orientación local de granos; lapreparación de muestras fue realizada con la ayuda de un haz de iones localizados (FIB). Larecristalización así como las dislocaciones en whiskers y protuberancias fueron observadas;ningún compuesto intermetálico ha sido observado en los recubrimientos ni en los whiskers.Se determinó que la relajación del estrés residual de compresión y el crecimiento de whiskersson dos fenómenos diferentes pero fuertemente interconectados y térmicamente activados. Cadauno de ellos sigue un mecanismo diferente; las energías de activación aparentes de los dosfenómenos han sido establecidas, y la difusión por bordes de grano es propuesta como elprincipal mecanismo de difusión para el crecimiento de whiskers.Cinéticas de crecimiento de whiskers, a la vez analíticas y fenomenológicas son propuestas.Una buena estimación del crecimiento de whiskers y su velocidad de crecimiento a temperaturascercanas a las condiciones de operación es obtenida por comparación con los datosexperimentales.

En usinage, la zone de coupe présente des conditions de température, des cinétiques thermiques, des déformations et des pressions extrêmes. Dans ce contexte, être capable de relier les variations des conditions de coupe (vitesse de coupe, avance, lubrification, usure, outil,…) à l’intégrité de la surface usinée constitue un objectif scientifique majeur. Cette thèse s’intéresse au cas du tournage finition du 15-5PH (acier inoxydable martensitique utilisé, entre autre, pour la fabrication des pièces de rotor d’hélicoptère ainsi que les pompes et les vannes de circuit primaire de centrale nucléaire) et s’inscrit dans le cadre du projet MIFSU (Modélisation de l’Intégrité et de la Fatigue des Surfaces Usinées).Dans un premier temps, le comportement du matériau a été étudié afin d’alimenter les simulations d’usinage. Des essais de dilatométrie libre ont été conduit afin de calibrer les cinétiques d’austénitisation du 15-5PH pour des vitesses de chauffe élevées (jusqu’à 11000 °C/s). Les paramètres du modèle de changement de phase de Leblond ont alors été identifiés. De plus, des essais de compression dynamique (dε/dt allant de 0.01 à 80 /s et ε > 1) ont été réalisés pour calibrer une loi de comportement élasto-plastique aux grandes déformations avec une sensibilité à la vitesse de déformation. Ces essais ont aussi permis de mettre en évidence des phénomènes de recristallisation dynamique et leurs influences sur la contrainte d’écoulement du matériau. Un modèle de recristallisation dynamique a donc également été mis en œuvre.En parallèle, un modèle numérique de prédiction de l’intégrité des surfaces tournées a été construit. Ce modèle repose sur une méthodologie dite « hybride » (développée au cours de la thèse Frédéric Valiorgue pour l’acier AISI 304L) qui consiste à supprimer la modélisation de l’outil de coupe et de la formation du copeau, et à remplacer l’impact thermomécanique de ces derniers sur la surface usinée par des chargements équivalents. Une étape de calibration de ces chargements a donc été réalisée à travers des essais de coupe orthogonale et de frottement (étude de sensibilité des efforts d’usinage, du coefficient de frottement et du coefficient de partage thermique) aux variations des paramètres de coupe.Enfin, les résultats des simulations numériques de tournage portant sur la prédiction des changements de microstructure (austénitisation et recristallisation dynamique) ainsi que des contraintes résiduelles ont été comparés aux résultats issus d’une campagne d’essais de chariotage. / During machining, extreme conditions of pressure, temperature and strain appear in the cutting zone. In this thermo-mechanical context, the link between the cutting conditions (cutting speed, lubrication, feed rate, wear, tool coating…) and the machining surface integrity represents a major scientific target. This PhD study is a part of a global project called MIFSU (Modeling of the Integrity and Fatigue resistance of Machining Surfaces) and it focuses on the finish turning of the 15-5PH (a martensitic stainless steel used for parts of helicopter rotor). Firstly, material behavior has been studied in order to provide data for machining simulations. Stress-free dilatometry tests were conducted to obtain the austenitization kinetics of 15-5PH steel for high heating rates (up to 11,000 ° C/s). Then, parameters of Leblond metallurgical model have been calibrated. In addition, dynamic compression tests (dε/dt ranging from 0.01 to 80/s and ε > 1) have been performed to calibrate a strain-rate dependent elastoplasticity model (for high strains). These tests also helped to highlight the dynamic recrystallization phenomena and their influence on the flow stress of the material. Thus, recrystallization model has also been implemented.In parallel, a numerical model for the prediction of machined surface integrity has been constructed. This model is based on a methodology called "hybrid" (developed during the PhD thesis of Frédéric Valiorgue for the AISI 304L steel). The method consists in replacing tool and chip modeling by equivalent loadings (obtained experimentally). A calibration step of these loadings has been carried out using orthogonal cutting and friction tests (with sensitivity studies of machining forces, friction and heat partition coefficients to cutting parameters variations).Finally, numerical simulations predictions of microstructural changes (austenitization and dynamic recrystallization) and residual stresses have been successfully compared with the results of an experimental campaign of turning.