Les caractéristiques des systèmes collés ou peints époxyde-amine/métal dépendent des caractéristiques de chacun des constituants mais aussi de leur "combinaison". En particulier, l'interphase possède des propriétés spécifiques. La chimisorption de l'amine sur le métal et la dissolution de la couche d'hydroxyde initialement présente à sa surface sont simultanées. Le complexe organométallique créé réagit avec le monomère époxyde pour former un réseau aux propriétés physico-chimiques spécifiques. Lorsque la configuration des complexes permet leur cristallisation, et que leur produit de solubilité est dépassé, les complexes précipitent pour donner naissance à des cristaux de facteur de forme très important. Quand un polymère est réalisé avec ces complexes, les cristaux jouent le rôle de charges, induisant de nouvelles propriétés mécaniques. La formation d'une interphase a été observée en appliquant plusieurs amines sur différents métaux. La variation des propriétés physico-chimiques et mécaniques a été évaluée.

Les composites alumine-chrome sont obtenus par pressage à chaud de poudres provenant du broyage réactif entre des poudres d'aluminium, d'alumine et d'oxydes de chrome. Différents types de composites ont été caractérisés : ils correspondent à des fractions volumiques de chrome comprises entre 5 et 36% et différentes voies d'élaboration. Une étude microstructurale a été menée pour mieux connaître les différents constituants et les différentes phases des poudres mais aussi des échantillons massifs (notamment ceux qui sont minoritaires). Une approche micromécanique est utilisée pour déterminer le champ de contraintes internes, générées lors du refroidissement après le pressage des poudres, du fait des différences existant entre les coefficients de dilatation thermique et les propriétés thermo-mécaniques des phases. Ces différences et ces contraintes pouvant conduire à la détérioration et à la fissuration du composite pourraient peut-être aussi être utilisées avec avantage et renforcer le composite, du moins localement selon les tailles et dispositions relatives de la phase métallique. Les résultats des calculs par éléments finis ont été confrontés aux résultats expérimentaux de détermination des contraintes moyennes dans les phases, obtenus en utilisant le rayonnement synchrotron. Pour évaluer le comportement de la microstructure et des contraintes internes vis à vis de la fissuration, une procédure d'indentation de type hertzien (indentation d'un échantillon plan par une sphère) a été mise en place pour analyser le mode de fissuration des échantillons massifs. Les résultats issus de l'étude de la microstructure, des calculs et de la fissuration sont comparées pour analyser l'influence de la microstructure et des champs locaux de contraintes sur le comportement et les trajectoires des fissures dans des composites biphasés alumine-chrome. Des voies concrètes d'amélioration voire d'optimisation des microstructures au regard de la résistance à la fissuration en sont ainsi dégagées.

Les contraintes résiduelles de nitruration ont pour origine les incompatibilités de déformations volumiques issues de la précipitation au cours du traitement. Le gradient de contraintes résiduelles résulte des gradients de composition chimique et de microstructure, ainsi que des incompatibilités de déformations macroscopiques. L'évolution du gradient de déformations volumiques en fonction de la profondeur et du temps de traitement est directement reliée, dans le cas des aciers, aux évolutions thermochimiques. La relaxation des contraintes en proche surface est la conséquence d'une décarburation superficielle. La diminution globale des contraintes au cours du traitement résulte de la transformation des carbures de revenu et de la diffusion du carbone en fonction de la profondeur. Une simulation du traitement de nitruration est développée à partir de la diffusion d'azote et de carbone à l'équilibre thermodynamique calculé grâce au logiciel Thermo-Calc. Un calcul de la variation de volume accompagnant la précipitation est proposé en tenant compte des hypothèses thermodynamiques et mécaniques. Les contraintes résiduelles de la matrice et macroscopiques sont déterminées au travers d'un modèle micromécanique de transition d'échelle de type auto-cohérent. Ce modèle confirme le rôle des cinétiques de transformations de phases, fonction des cinétiques de diffusion, sur l'évolution des contraintes résiduelles au cours du traitement. Ce modèle est appliqué aux nuances synthétiques Fe-3%Cr-0,354%C et industrielles 33CrMoV12-9. Une description détaillée du traitement de nitruration est finalement proposée. Elle aboutit à une meilleure compréhension de l'influence des éléments d'addition sur l'évolution des contraintes résiduelles.

Depuis 1970, les développements de la compréhension théorique des phénomènes de fatigue et leur modélisation (citons les travaux de MM. Bang Van et Papadopoulos) ont abouti à la prévision de la tenue en fatigue d'une structure soumise à une sollicitation cyclique quelconque. D'autres travaux (théoriques ou expérimentaux) ont été entrepris en parallèle de manière à caractériser l'effet d'un traitement de surface sur un matériau donné soumis à une sollicitation connue. On tend ainsi à donner à l'ingénieur tous les outils théoriques lui permettant de dimensionner une pièce mécanique, du choix du matériau et du traitement à la définition de la géométrie. De plus, la complexité des traitements de surface conçus à l'heure actuelle nécessite leur modélisation fine pour parvenir à leur optimisation. Ce contexte nous a conduit à nous poser le problème de la modélisation d'un traîtement de surface récemmentapparu: le choc-laser. Il s'agit d'un traitement de surface purement mécanique réalisé à l'aide d'impulsions laser de très forte intensité. En effet, l'irradiation d'une cible par une telle impulsion laser provoque l'application d'une forte pression pendant un temps très court à .la surface de la cible. Ce phénomène est donc tout à fait similaire à un impact. Cet impact laser va induire alors des contraintes résiduelles de compression à la surface de la cible qui seront ensuite très favorables à la tenue en fatigue. On conçoit alors que l'analyse du choc-laser passe par la modélisation et le calcul des contraintes résiduelles induites par impact. C'est l'objet de la première partie de ce travail. L'application des résultats au choc-laser permettra ensuite le calcul des contraintes résiduelles induites en fonction des caractéristiques du matériau constituant la cible et du réglage du laser. Tl devient alors très facile d'optimiser matériau et réglage en vue d'une application donnée.

Les matériaux métalliques de structure tels que les aciers, les alliages base titane, les superalliages base nickel utilisés dans les domaines de l'aéronautique, de l'énergie ou encore de l'automobile doivent être capables de résister à des sollicitations mécaniques sévères notamment de type fatigue dans des environnements agressifs. L'endommagement du à la fatigue se localise généralement en surface des matériaux. Il est donc souvent impératif d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques de leur surface pour répondre au mieux aux exigences multiples qu'imposent les conditions de leur mise en service. Dans ce contexte, le PHYMAT a développé un ensemble de dispositifs d'élaboration originaux utilisant des ions de basse, moyenne ou haute énergie ainsi que des plasmas qui permettent de modifier les propriétés de surface des matériaux massifs ou d'élaborer des revêtements. En particulier, il a été mis au point des procédés de nitruration utilisant des ions de basse énergie : implantation-diffusion d'azote basse énergie-flux élevé et de nitruration plasma permettant d'introduire à température modérée (300-400°C) des atomes d'azote en solution solide de très fortes concentrations (20-25at%) sur des profondeurs particulièrement importantes (3-20μm). Les investigations dans le domaine de la fatigue misent en oeuvre par le LMPM ces dernières années sur des matériaux traités en surface montrent que des améliorations remarquables de durée de vie peuvent être obtenues y compris lorsque le traitement ne concerne qu'une épaisseur de l'ordre ou inférieure au micromètre. Ces résultats laissent penser que le procédé de nitruration plasma proposé permettrait alors d'améliorer les propriétés en fatigue de ces matériaux. En outre ce traitement présente le double avantage de pouvoir réaliser une nitruration des aciers inoxydables ce qui n'était pas possible auparavant et de pouvoir traiter des formes complexes non planes. Les résultats concernant la nitruration d'un acier inoxydable austénitique polycristallin de type 316L par ce procédé de nitruration plasma particulier ont permis de mettre en évidence différents phénomènes induits en surface. En particulier des effets importants de rotations cristallographiques des grains de surface ont été relevés conduisant à la création d'une texture de surface. Ces résultats ont été analysés à partir de mesures obtenues par EBSD sur de larges zones (LMPM). On montre notamment une tendance forte à la réorientation des grains vers les directions <111> et <001>. Ce processus s'accompagne de plasticité sous la forme de bandes de glissement et a même localement pour conséquence des phénomènes d'endommagement. Ces processus sont en grande partie dus à la dilatation des grains de surface lors de l'insertion d'azote en grande concentration pendant le traitement. L'étude des systèmes de glissement activés a permis de remonter en partie aux sollicitations mécaniques en surface dues au traitement (contrainte de compression résiduelle, dilatation normale à la surface). Il a été montré que le « gonflement » est directement lié à l'orientation cristallographique des grains (couplage EBSD - profilomètre optique interférométrique du LMS). Les expériences de diffraction des rayons X réalisées au PHYMAT ont permis de connaître plus précisément la structure de la zone nitrurée. Du coté des propriétés mécaniques, ont à pu mettre en évidence par des séries d'essais mécaniques de fatigue oligocyclique sous déformation plastique imposée (LMPM), une augmentation considérable des propriétés en fatigue (durée de vie multiplié par 3 fois sous forte déformation plastique imposée). Les nombreux essais menés au cours de l'année 2009 ont permis de montrer par leurs analyses que l'amélioration des propriétés en fatigue est directement liée aux contraintes de compression dans la couche nitrurée. Plus les contraintes de compression dans la couche sont élevées, plus la durée de vie en fatigue est importante. Ce résultat est remarquable en ce qui concerne la fatigue des aciers nitrurés. Le lien entre les modifications de la structure en surface du matériau et les conséquences sur l'amélioration en fatigue a été fait.

L'Usinage Assisté Laser (UAL) est un procédé d'usinage qui consiste à chauffer la pièce à l'aide d'un faisceau laser en amont de l'outil de coupe. La pièce ainsi chauffée voit ses caractéristiques mécaniques chuter, ce qui augmente son usinabilité. Les travaux réalisés ont porté sur l'influence de l'assistance laser sur l'usinabilité et l'intégrité de surface, de plusieurs matériaux: l'acier 42CrMo4, l'acier 100Cr6 traité (57 HRc) et l'alliage de titane Ti6Al4V. La mesure de l'effort de coupe a permis de quantifier l'amélioration de l'usinabilité des matériaux en fonction de la puissance du faisceau d'assistance et des paramètres de coupe. Dans certaines configurations, l'effort de coupe diminue jusqu'à 50 % sur le 100Cr6 et jusqu'à 40 % sur le Ti6Al4V. L'état de surface est peu sensible à la puissance laser. En revanche, les contraintes résiduelles tendent vers la traction avec l'augmentation de la température de surface. Cette modification des contraintes résiduelles provoque, par exemple, une diminution de la limite de fatigue en traction-compression (-30 MPa) des pièces en Ti6Al4V. Parallèlement, la limite de fatigue évolue avec les traitements thermiques de la surface effectués par le laser pendant l'UAL. Sur l'alliage de titane, le traitement thermique laser crée une microstructure aiguillée qui est catastrophique pour la tenue en fatigue. En revanche, sur l'acier 100Cr6, une couche martensitique (en forte compression) est créée en surface ce qui augmente la limite de fatigue d'environ 70 MPa. Des simulations numériques de l'UAL et de l'usinage conventionnel ont été réalisées pour comprendre le rôle du chauffage laser sur la formation du copeau. Les résultats numériques montrent une diminution de l'effort de coupe avec la puissance laser en accord avec les essais expérimentaux. De plus, ils permettent d'optimiser les paramètres de coupe et de connaître les sollicitations mécaniques et thermiques sur l'outil.

Ce travail de thèse a pour ambition d'apporter des éléments de compréhension du rôle des contraintes résiduelles au sein des plaques d'athérosclérose. Il s'inscrit dans un programme de recherche qui vise à développer de nouveaux outils favorisant l'aide au diagnostic de patients atteints de cette maladie cardiovasculaire. Suivant les évolutions majeures de ces dernières années, la première partie de ce travail présente une vision contemporaine de la maladie d'athérosclérose et des nombreux enjeux de modélisation mécanique auxquels la compréhension de la maladie et son diagnostic font appel. Nous faisons émerger un manque certain quant au rôle des contraintes résiduelles dans cette maladie. Les contraintes résiduelles sont un marqueur naturel du développement des tissus. La deuxième partie de ce travail aborde leur quantification expérimentale au sein des artères saines et pathologiques de souris. De façon intéressante nous montrons leur importance et la nécessité de les prendre en compte pour avoir une image raisonnable de l'état de contraintes des artères en conditions physiologiques. Ces résultats originaux n'ont toutefois pas permis d'établir de corrélation avec l'intensité du processus inflammatoire au sein des plaques. Enfin, la dernière partie de ce travail aborde la modélisation du développement des contraintes résiduelles. Un effort de description de la structure géométrique des corps avec des contraintes résiduelles a été fait afin de faire émerger de nouveaux outils de modélisation de leur développement. Une première application d'un modèle de croissance intrinsèque est présentée et illustrée. Cette approche semble prometteuse et apporte déjà quelques éléments de compréhension du développement des contraintes résiduelles. Toutefois, les travaux effectués ne constituent qu'une étape préliminaire et n'ont pas encore été exploités pleinement. Par contre ces travaux ouvrent assurément de nouvelles perspectives de recherche.

Ce travail de thèse a pour ambition d'apporter des éléments de compréhension du rôle des contraintes résiduelles au sein des plaques d'athérosclérose. Il s'inscrit dans un programme de recherche qui vise à développer de nouveaux outils favorisant l'aide au diagnostic de patients atteints de cette maladie cardiovasculaire. Suivant les évolutions majeures de ces dernières années, la première partie de ce travail présente une vision contemporaine de la maladie d'athérosclérose et des nombreux enjeux de modélisation mécanique auxquels la compréhension de la maladie et son diagnostic font appel. Nous faisons émerger un manque certain quant au rôle des contraintes résiduelles dans cette maladie. Les contraintes résiduelles sont un marqueur naturel du développement des tissus. La deuxième partie de ce travail aborde leur quantification expérimentale au sein des artères saines et pathologiques de souris. De façon intéressante nous montrons leur importance et la nécessité de les prendre en compte pour avoir une image raisonnable de l'état de contraintes des artères en conditions physiologiques. Ces résultats originaux n'ont toutefois pas permis d'établir de corrélation avec l'intensité du processus inflammatoire au sein des plaques. Enfin, la dernière partie de ce travail aborde la modélisation du développement des contraintes résiduelles. Un effort de description de la structure géométrique des corps avec des contraintes résiduelles a été fait afin de faire émerger de nouveaux outils de modélisation de leur développement. Une première application d'un modèle de croissance intrinsèque est présentée et illustrée. Cette approche semble prometteuse et apporte déjà quelques éléments de compréhension du développement des contraintes résiduelles. Toutefois, les travaux effectués ne constituent qu'une étape préliminaire et n'ont pas encore été exploités pleinement. Par contre ces travaux ouvrent assurément de nouvelles perspectives de recherche. / This graduate research has the ambition to bring some understandings of the role of residual stresses in atheroma plaques. It falls under a research program which aims at developing new tools in supporting the diagnosis of patients concerned with this cardiovascular disease. Considering the major changes in the past decade, the first part of this work presents a contemporary vision of the atherosclerosis disease and many mechanical modeling challenges brought by its understanding and diagnosis appeal. We emphasized a lack in the description of the role of residual stresses in this disease even if they are a natural marker of tissues development. The second part of this work approaches their experimental quantification within healthy and pathological mice arteries. Interestingly, we have shown their importance and the need to take them into account in order to have a reasonable image of the stresses state of arteries in physiological conditions. These original results however did not make it possible to establish correlation with the intensity of the inflammatory process within the plaques. Finally, the last part of this work approaches the modeling of the development of residual stresses. An effort in the description of the geometrical structure of material bodies with residual stresses allowed the emergence of new tools to model their development. A first application of an intrinsic growth model is presented and illustrated. This approach seems promising and already brings some key explaining elements in the development of residual stresses. However, carried out work constitutes only one preliminary stage and were not yet fully exploited. Hence, this work undoubtedly opens new prospects of research.

L’intégrité de surface a un rôle significatif sur la tenue en fatigue des composants usinés. Des spécifications particulières émergent de la part des fabricants et particulièrement de ceux de l’aéronautique. Les trous percés sont des zones critiques à partir desquelles des endommagements peuvent se produire. Néanmoins les contraintes résiduelles sont peu étudiées en perçage. Elles émanent de phénomènes multi-physiques issus de l’opération de perçage difficilement identifiables à cause du confinement du trou. Ce rapport présente les travaux expérimentaux et numériques mis en œuvre au cours de la thèse. Le projet s’est d’abord focalisé autour de l’identification des phénomènes physiques mis en jeu pendant l’opération de perçage pour différents modes de lubrification et sur l’analyse des contraintes résiduelles sur la surface du trou percé. Ce premier volet expérimental a posé les bases de compréhension nécessaires au développement des modèles numériques.Les développements numériques s’articulent autour de deux axes. Le premier consiste à représenter l’opération de perçage. L’état de l’art ainsi qu’une étude préalable ont permis d’identifier les difficultés liées à la modélisation numérique d’une opération de perçage pour des longueurs percées significatives. Le premier modèle développé répond à cette problématique et détermine les sollicitations induites par le perçage nécessaires au calcul des contraintes résiduelles. Le deuxième axe de développement numérique permet de prédire les contraintes résiduelles présentes dans une pièce percée à partir des chargements issus du premier modèle. / The surface integrity has a significant impact on the fatigue life of the machined parts. New requirements appear from manufacturers and especially from aeronautical industrialists. Drilling holes are critical and can damage the component. Nevertheless, residual stresses are not studied a lot in drilling processes. The residual stresses created are a result of multi-physical phenomena during drilling processes. It is difficult to identify them due to the confinement of the hole. In the current study, experimental tests are realized and numerical model of drilling surface integrity was developed. First, experimental works were performed in several lubrication conditions to understand physical phenomena which lead to residual stresses in the drilled workpiece. The numerical developments are set-up about two sections. The first numerical model represents the drilling operation. The state of the art and an initial study were shown that the actual numerical models are not able to simulate a drilling operation in an important drilling depth. So the first numerical model gives an estimation of loads induced by the drilling operation and necessary to compute residual stresses. Finally, the second numerical model simulates residual stresses in a drilled part taking in account loads provided.

L’objet de cette thèse est la prise en compte des effets du fraisage de finition dans un modèle d’endommagement en fatigue. Les procédés d’usinage tels que le fraisage sont connus pour imposer de fortes sollicitations thermomécaniques, pouvant altérer les propriétés géométriques (rugosité, arrachements) et mécaniques (contraintes résiduelles, écrouissages) en surface et sous-surface des pièces produites. Ces propriétés, regroupées sous le terme d’intégrité de surface, sont susceptibles d’affecter significativement la tenue en fatigue des pièces fabriquées. Cette problématique a été traitée pour le cas particulier du fraisage de finition à l’outil hémisphérique d’aciers à microstructure bainitique. Plusieurs axes d’étude ont été suivis, à commencer par la mesure et la caractérisation de l’intégrité de surface, et en particulier de son caractère anisotrope. Dans un deuxième temps, le rôle joué par l’intégrité de surface lors de sollicitations en fatigue a été mis en évidence au travers d’une campagne d’essais de flexion portant sur différents types de surface. Ces travaux à dominante empirique ont été complétés par l’étude et l’amélioration d’une approche hybride visant à mêler données expérimentales et modélisation pour prévoir rapidement et efficacement les profils de contraintes résiduelles induits par le procédé. Enfin, la dernière partie de l’étude a porté sur la prise en compte des résultats ainsi obtenus dans un modèle d’endommagement dit à deux échelles, dans le but de représenter, et dans la mesure du possible de prévoir, l’effet de l’intégrité de surface sur le comportement en fatigue du matériau. / This thesis focuses on the effects of finishing milling on fatigue damage. Machining processes such as milling are known to incur high thermomechanical loadings, which alter the geometrical (roughness) and mechanical (residual stresses, strain hardening) properties of the surface and sub-surface of produced parts. These properties, designated as surface integrity, are likely to affect significantly the fatigue strength of machined parts. The problem has been studied here in the case of the ball-end tool finishing milling of bainitic steels. Several approaches were followed, starting with the measurement and characterization of surface integrity, and especially of its anisotropic nature. Secondly, the role played by surface integrity during fatigue behaviour was highlighted through a bending test campaign including different surface types. These mainly empirical works were completed with the study and improvement of a hybrid approach aiming at combining experimental data and modelling in order to predict quickly and efficiently the residual stress profiles induced by the process. Finally, the last part of the study has dealt with taking account of the results thus obtained in a so-called two-scale damage model, in order to describe, and insofar as possible, to predict the fatigue behaviour of the machined material.