Ce mémoire présente l'étude expérimentale et la modélisation à l'échelle microscopique du comportement hydromécanique des argilites, roche hôte potentielle pour le stockage souterrain des déchets radioactifs. Le champ de déformation est mesuré par microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. En premier lieu, on étudie le cas du chargement hydrique pur. Le champ de déformation obtenu est très hétérogène, et montre une anisotropie. La non-linéarité de déformation pour HR élevée est le résultat combiné d'une fissuration et d'un gonflement non-linéaire de la phase argileuse dû à des mécanismes différents selon humidité relative (HR). On constate une déformation irréversible lors d'un cycle hydrique, ainsi qu'un réseau de microfissures localisées dans la phase argileuse ou aux interfaces grain-matrice. Ensuite, on étudie le cas du chargement combiné hydrique et mécanique dans le MEBE. Trois types de bandes de déformation apparaissent au cours du chargement mécanique : horizontales (compaction), verticales (fissuration), et inclinées (cisaillement). Les bandes de cisaillement apparaissent plus tôt à HR plus élevée. Finalement, le matériau sous chargement hydrique est modélisé comme un composite constitué par de inclusions non gonflantes au sein d'une matrice gonflante. On calcule d'abord le champ de contrainte interne dû aux interactions inclusion-matrice ainsi qu'au gradient d'humidité, et ensuite la déformation globale. On en dérive un modèle micromécanique du type du problème d'Eshelby. De plus, des modélisations 2D aux éléments finis sont effectuées.

Il existe un renouveau d'intérêt pour la rhéologie du sel gemme car les cavités salines sont des sites intéressants pour l'enfouissement de déchet ou le stockage d'énergie. Ces nouvelles recherches bénéficient du développement des techniques d'observation à petite échelle qui permettent une caractérisation précise des microstructures, des mécanismes de déformation et des champs de déformation. Une procédure pour fabriquer des échantillons de sel synthétiques ayant différentes tailles de grains, a été mise au point. Des essais macroscopiques ont été réalisés pour comparer le comportement du matériau synthétique et naturel. Des tests de compressions uniaxiale ont été réalisés sur des presses classiques et avec une machine spécifique installée dans un microscope électronique à balayage. Les images numériques de la surface de l'échantillon ont été enregistrées à différentes étapes de chargement. Des marqueurs ont permis de mesurer les déplacements grâce à la corrélation d'images numériques. Les champs de déformation globaux et locaux ont ainsi été calculés. L'analyse de ces résultats donne une mesure de l'hétérogénéité à différentes échelles, une estimation de la taille de l'élément de volume représentatif et enfin une identification des mécanismes de déformation, c'est à dire, la plasticité intracristalline et le glissement aux interfaces que l'on constate être en interactions locales complexes. Les chargements macroscopiques donnent lieu à des champs de contraintes locaux complexes du fait de l'orientation cristalline, la densité et l'orientation des interfaces et l'histoire locale de la déformation. Nous avons donné une estimation quantitative de l'importance relative de ces deux mécanismes pour plusieurs microstructures et mis en évidence un un effet marqué de la taille de grains. Nous avons aussi réalisé des simulations par éléments finis basées sur la plasticité cristalline et trouvé un bon accord avec les résultats expérimentaux pour l'identification des systèmes de glissement. Enfin, des développements expérimentaux 3D utilisant la tomographie aux rayons X sont montrés avec des résultats préliminaires.

Les alliages à mémoire de forme (AMF) font partie des matériaux qui ont besoin d'une caractérisation de leur comportement sous sollicitations dynamiques afin de pouvoir être intégrés dans des solutions de conception de structures prévues pour l'absorption d'énergie ou pour subir de grandes déformations à des régimes de vitesses équivalents à des impacts. Même si les phénomènes mis en jeu dans ce type de matériau commencent à être maîtrisés, la caractérisation de leur comportement en dynamique est un point qui nécessite encore beaucoup d'études d'approfondissement. Leurs propriétés singulières et leur bonne capacité d'absorption d'énergie font d'eux de bons candidats à l'application dans des technologies innovantes et motivent la poursuite de leur étude. Ces travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur un AMF à base de Nickel-Titane (NiTi).Les deux propriétés singulières principales des AMF sont la superélasticité (ou pseudo-élasticité) et l'effet mémoire. La propriété sur laquelle cette étude se concentre est la superélasticité : celle-ci correspond à une transformation martensitique activée par une sollicitation mécanique.Afin de pouvoir caractériser le NiTi pour des applications soumises à des impacts ou à des sollicitations dynamiques, il est nécessaire de pouvoir, dans un premier temps, observer la transformation martensitique pour ces régimes et de tenir compte de ces résultats pour l'élaboration de lois de comportement.Ces travaux de thèse, essentiellement expérimentaux, s'inscrivent dans la mise en place d'un projet visant à pouvoir prédire le comportement des alliages à mémoire de forme soumis à des sollicitations dynamiques multiaxiales et sont centrés sur trois thèmes : les AMF, les essais de traction dynamique, la corrélation d'image pour les essais aux barres de Hopkinson et pour la mesure de la transformation martensitique des AMF.

L'objectif de cette thèse est d'étudier expérimentalement les phénomènes de vieillissement dus à la diffusion des atomes en solution dans les alliages d'aluminium et les instabilités qui leur sont associées comme le phénomène Portevin-Le Châtelier ou les bandes de Lüders et de proposer une modélisation de ces phénomènes dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Une étude expérimentale détaillée est alors entreprise sur les alliages d'aluminium AA5083-H116 et AA5182-O. Le comportement du premier présente l'effet PLC de façon prononcée et les deux types d'instabilités sont observées simultanément pour le second. La corrélation d'images numériques et la thermographie infrarouge sont essentiellement employées pour détecter et caractériser les aspects spatiotemporels des instabilités observées. La déformation non homogène due à l'apparition et la propagation de bandes de localisation est mise en évidence. Ces bandes de déformation sont visualisées, permettant à leurs diverses caractéristiques (vitesse, orientation, largeur, vitesse de déformation à l'intérieur des bandes, augmentation de la température à l'intérieur des bandes) d'être mesurées sur des éprouvettes lisses (plates, cylindriques ou prismatiques). Dans le cas des éprouvettes plates, l'effet des épaisseurs de l'éprouvette a aussi été examiné. Les caractéristiques des bandes sont aussi analysées sur d'autres géométries d'éprouvette (entaillées avec divers types d'entailles) à des vitesses de déformation différentes pour exhiber leur morphologie en présence de chargements multiaxiaux. Des simulations non linéaires et tridimensionnelles ont été effectuées en utilisant le modèle de McCormick pour montrer comment la prise en compte des phénomènes de vieillissement, même partielle, permet de décrire les hétérogénéités et le mouvement des bandes de déformation ainsi que de prévoir leurs différentes caractéristiques. Enfin, en se basant sur les mécanismes physiques à la base des phénomènes de vieillissement et en soulignant les limites du modèle de McCormick, un modèle élasto-viscoplastique prenant en considération les phénomènes de vieillissement est proposé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles.

Afin d'investiguer les mécanismes de décollement de chaussées urbaines, cette thèse se concentre sur leurs caractérisations en laboratoire. Dans ce travail, il s'agit de savoir si la présence d'eau (par infiltration dans les matériaux) combinée à des sollicitations mécaniques de flexion peut jouer un rôle dans la détérioration des interfaces couplant plus particulièrement du béton de ciment à de l'enrobé bitumineux. Un essai de flexion 4 points permettant de générer de la rupture d'interface en mode mixte (mode I et II) est choisi a priori et adapté. L'analyse mécanique de l'essai est menée en déformations planes à l'aide d'un Modèle élastique Multiparticulaire à Matériaux Multicouches spécifique dédié à l'étude des effets de bords dans les structures multicouches en flexion, le M4-5n. Le problème écrit analytiquement et résolu sous Scilab permet d'optimiser la géométrie des éprouvettes afin de favoriser le délaminage. Le montage de l'essai est mis au point en laboratoire. Des éprouvettes bicouches Alu/PVC sont utilisées pour calibrer le montage. Un aquarium spécifique est construit afin de pouvoir immerger les éprouvettes lors des essais sous eau. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l'effet de la température sur la résistance de l'interface. Les techniques de corrélation d'images numériques sont utilisées pour mesurer expérimentalement les déplacements d'ouverture et de glissement de fissure. Ces techniques permettent de déterminer les facteurs d'intensité de contraintes et les taux de restitution donnés par Dundurs. Ces valeurs sont comparées avec succès à celles du M4-5n. A 20°C sous eau, les essais montrent que l'eau privilégie le processus de décollement.

L’amélioration du caractère prédictif des simulations numériques requiert une meilleure maîtrise des modèles constitutifs. Des procédures d’identification exploitant des mesures de champs ont été développées afin de valider les modèles et d’identifier un jeu de paramètres constitutifs à partir d’un nombre réduit d’essais hétérogènes. Bien évidemment, les résultats de telles procédures dépendent grandement des incertitudes des mesures. Dans cette thèse, une stratégie d’identification de paramètres constitutifs à partir de mesures de champs par corrélation d’images numériques éléments finis (CIN-EF) multi-échelles est proposée et développée. Une variante régularisée du recalage par éléments finis (FEMU-R) est adaptée à cette approche multi-échelles. Elle exploite des champs de déplacements mesurés par CIN-EF d'une part à l’échelle de la structure (fournissant les conditions aux limites pour la simulation EF) et d’autre part à une échelle plus locale (fournissant des champs de déplacements mieux résolus pour la comparaison essais/calculs). Un algorithme de recalage d’images est développé pour faire le lien entre les échelles. D’abord validée à l’aide d’images de synthèse, la procédure est ensuite appliquée à un essai de traction sur plaque trouée réalisé sur un composite stratifié verre/époxy. On montre qu’une telle stratégie permet de diminuer nettement non seulement les incertitudes de mesure mais également les incertitudes d’identification. Finalement, la question d’un mouchetis adapté à cette approche multi-échelles est évoquée et des éléments de solutions sont proposés et testés. / Improving the prediction of numerical simulations requires a better control of constitutive models. Identification methods exploiting full-field measurements have been developed in order to validate models and to identify a set of constitutive parameters from a reduced number of heterogeneous tests. The results of those methods largely depends on measurement uncertainties. In this PhD thesis, a strategy is proposed and developed for the identification of constitutive parameters from full-field measurements obtained by multiscale finite element digital image correlation (FE-DIC). A Regularised Finite Element Model Updating method (FEMU-R) is adapted to this multiscale approach. It exploits displacement fields measured by FE-DIC at a structural scale (in order to obtain the boundary conditions for FE simulation)and at a local scale (giving a better resolution on the displacement field for the comparison between experiment and simulation). An image registration algorithm is developed to bridge these scales. First validated on synthetic images, the multiscale approach is then applied to an open-hole tensile test of a glass/epoxy composite laminate. It is shown that such a strategy allows to reduce not only the measurement uncertainties but also the identification uncertainties. Finally the question of a speckle pattern suitable for this approach is discussed and some first technical solutions are proposed and tested.

La microdiffraction Laue permet l'estimation des déformations élastiques à l'échelle du micron. La procédure d'analyse standard, bien établie, utilisée pour extraire les déformations élastiques des images de Laue est limitée par deux sources d'erreurs : la détermination de la positions des taches de Laue sur le détecteur, et la sensibilité aux paramètres de calibration du montage. Pour améliorer la procédure, nous avons développé une procédure appelée Laue-DIC qui utilise la très bonne résolution de la technique de corrélation d'images numériques (DIC). Cette méthode utilise, pour la détermination de l'incrément de déformation élastique et de rotation, le déplacement des pics entre deux configurations mécaniques, estimé par DIC, au lieu de leur position. Nous montrons que cette méthode donne un profil de contrainte en meilleur accord avec les solutions analytiques et numériques, pour des échantillons monocristallins déformés en flexion 4-points. Nous proposons également une méthode Laue-DIC améliorée, dans laquelle les paramètres de calibration sont estimés à chaque point de mesure, simultanément à la déformation élastique.En parallèle à la formulation de la méthode Laue-DIC (améliorée), nos efforts ont porté sur l'estimation de l'incertitude obtenue sur les déformations élastiques. Nous avons développé un modèle de bruit pour les images de Laue mesurées en rayonnement synchrotron, qui a été validé sur des séries de données, et qui nous a permis d'estimer les erreurs statistiques de la DIC, à partir d'images de Laue synthétiques. Ces erreurs ont ensuite été propagées dans la méthode Laue-DIC afin d'estimer les incertitudes sur les déformations élastiques, que l'on trouve en bon accord avec la fluctuation des contraintes locales estimées. / Laue microdiffraction is a powerful technique to characterize the intragranular elastic strain field at the scale of micrometer. Although a standard procedure extracting elastic strain and crystal orientation from Laue image has been well-established, it can suffer from two sources of uncertainties: the determination of peaks' positions and the sensitivity to calibration parameters. In light of the high accuracy of digital image correlation (DIC), we developed the so-called Laue-DIC method which used the peaks' displacements measured by DIC instead of peaks' positions to determine the elastic strain increment and rotation between two mechanical configurations. This method has been proved more efficient than the standard procedure in terms of stress profiles of bended beam. We also developed the enhanced version of Laue-DIC. By using the term “enhanced”, we mean that we attempt to obtain both lattice matrices and calibration parameters of two configurations rather than solely the elastic strain increment and rotation from peaks' displacements.Aside from the formulation of Laue-DIC, we also developed a procedure of statistically estimating the errors of elastic strain/stress resulted from DIC errors and calibration accuracy. We have first validated a classical noise model, Poissonian-Gaussian model, from diffraction images acquired at synchrotron radiation facility. With the noise model, we could statistically estimate the DIC errors by synthesizing artificial spots. The estimated DIC errors were further transmitted into the errors of Laue-DIC through statistical tests.

Les enrobés bitumineux sont des matériaux composites complexes constitués de plusieurs phases : granulats, liants bitumineux et vides. L'assemblage de ces phases définit une microstructure très complexe qui pilote la réponse macroscopique des enrobés. Classiquement, les réponses mécanique et thermique des enrobés sont caractérisées par des essais à l'échelle macroscopique en supposant que le matériau est homogène et isotrope. À l’échelle des constituants, la caractérisation de ces matériaux nécessite d’utiliser une technique de mesure disposant simultanément d’une bonne résolution spatiale et d’une bonne résolution de mesure. L’enjeu de ce travail est d’une part d’évaluer les possibilités d’utilisation de la méthode de la grille (MG) pour l’analyse des propriétés thermo-mécaniques des enrobés bitumineux, et d’autre part de caractériser, grâce à l’apport de cette méthode, l’effet de l’introduction d’agrégats d’enrobés (AE). L’étude expérimentale comprend des essais de compression et de traction ainsi que des essais de gel-dégel. Les champs cinématiques issus de la MG ont permis d'étudier la réponse de ces matériaux à des échelles allant de l’échelle du constituant jusqu’à celle de l’éprouvette. Les résultats obtenus ont également permis de valider une approche expérimentale innovante pour l’analyse des enrobés en permettant d’accéder à des informations fiables et riches à l’échelle de la microstructure. Certains aspects liés à l'impact du recyclage sur le comportement local de l’enrobé sont également fournis. / Asphalt mixtures are complex composite materials constituted of several phases, namely aggregates, bituminous binder and voids. The assembly of these phases defines a highly complex microstructure, which drives the macroscopic response of asphalt mixtures. Classically, both the mechanical and the thermal responses of asphalt materials are characterized by using experiments at the scale of the mixture assuming that the material is homogeneous. At the scale of their constituents, these materials require a measurement technique featuring simultaneously both a good spatial resolution and a good strain resolution. To date, there are only few experimental studies available in the literature that describe the thermal and mechanical behavior of bituminous mixes at the scale of the constituent. The aim of this work is, on the one hand, to evaluate the possibilities of using the grid method (GM) for the analysis of the thermo-mechanical properties of asphalt mixtures and, on the other hand, to characterize the effect of the recycled asphalt pavement (RAP) inclusion on the local behavior of these materials. Full-field measurements provided by GM allow to study the response of these materials at scales ranging from the component to the mixture itself. These results enable us to validate an innovative experimental approach for the analysis of asphalts. It gives access to reliable and rich information at the scale of the microstructure. Some aspects related to the impact of RAP on the local behavior of asphalt were also provided.

La compréhension du comportement musculaire est un champ d’investigation primordial dans divers domaines tels que le sport, le crash automobile et la médecine. Peu de techniques in vivo permettent aujourd’hui de caractériser les propriétés mécaniques du muscle. Aussi, l’objectif de ce travail est de développer une méthode d’identification in vivo à partir demesures de champs de déplacement. La méthode d’identification est composée de 3 étapes interdépendantes. La première consiste à réaliser une IRM de la cuisse pour segmenter manuellement différents tissus musculaires (quadriceps, ischios, gracilis et sartorius) et le tissu adipeux. Un comportement Néo-Hookéen est choisi pour modéliser le comportement hyperélastique (C10, D). Dans un second temps, un dispositif expérimental de compression est développé pour mesurer le champ de déplacement in vivo à partir des techniques d’imagerie échographique et de Corrélation d’Images Numériques. Finalement, une méthode inverse est mise en œuvre pour identifier les paramètres C10 et D de chaque tissu. Par le biais d’un exemple numérique, l’erreur sur les paramètres identifiés est évaluée. Les cartographies des champs de déplacement expérimentaux confirment les observations qualitatives obtenues sur les images échographiques et sont validées par les champs de déformation obtenus par approximation diffuse. Une faible erreur d’identification (C10<3%, D<7%) est obtenue à partir de l’exemple numérique, et les paramètres mécaniques identifiés sont en accord avec la littérature. Ces résultats valident la démarche inverse mise en œuvre qui permettra, à terme, de suivre l’évolution des pathologies et de mener des simulations prédictives. / The understanding of the mechanical behavior of the muscle tissue is an important field of investigation with different applications in medicine, car crash and sport. Currently, few in vivo imaging techniques are able to characterize the mechanical properties of muscle. Thus, this study aims at developing an in vivo identification method based on displacement fieldmeasurements. The identification approach is composed of 3 dependent steps. The first step consists in performing a 2D MRI acquisition of the thigh in order to segment manually the muscle (quadriceps, ischio, gracilis and sartorius) and fat tissues. A Neo-Hookean model is chosen to characterize the hyperelastic behavior (C10, D). Secondly, an experimental compressiondevice is developed to measure the in vivo displacement field using ultrasound and Digital Image Correlation (DIC) techniques. Finally, an inverse method is implemented to identify the C10 and D parameters of each soft tissue. A numerical example is used to quantify the identification error on each parameter. Displacement field measurements confirm the ultrasound observations. They are also validated by the cartographies of the strain fields, which are obtained by the diffuse approximation method. Using the numerical example, the identification leads to low errors on the C10 (< 3%) and D (< 7%) parameters. Identified values of the mechanical parameters are in good agreement with the literature. All results validate the implemented identification method. In the long term, this protocol will allow to follow the evolution of pathologies and to conduct predictive simulations.

Les alliages à mémoire de forme (AMF) font partie des matériaux qui ont besoin d'une caractérisation de leur comportement sous sollicitations dynamiques afin de pouvoir être intégrés dans des solutions de conception de structures prévues pour l'absorption d'énergie ou pour subir de grandes déformations à des régimes de vitesses équivalents à des impacts. Même si les phénomènes mis en jeu dans ce type de matériau commencent à être maîtrisés, la caractérisation de leur comportement en dynamique est un point qui nécessite encore beaucoup d'études d'approfondissement. Leurs propriétés singulières et leur bonne capacité d'absorption d'énergie font d'eux de bons candidats à l'application dans des technologies innovantes et motivent la poursuite de leur étude. Ces travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur un AMF à base de Nickel-Titane (NiTi).Les deux propriétés singulières principales des AMF sont la superélasticité (ou pseudo-élasticité) et l'effet mémoire. La propriété sur laquelle cette étude se concentre est la superélasticité : celle-ci correspond à une transformation martensitique activée par une sollicitation mécanique.Afin de pouvoir caractériser le NiTi pour des applications soumises à des impacts ou à des sollicitations dynamiques, il est nécessaire de pouvoir, dans un premier temps, observer la transformation martensitique pour ces régimes et de tenir compte de ces résultats pour l'élaboration de lois de comportement.Ces travaux de thèse, essentiellement expérimentaux, s'inscrivent dans la mise en place d'un projet visant à pouvoir prédire le comportement des alliages à mémoire de forme soumis à des sollicitations dynamiques multiaxiales et sont centrés sur trois thèmes : les AMF, les essais de traction dynamique, la corrélation d'image pour les essais aux barres de Hopkinson et pour la mesure de la transformation martensitique des AMF. / The specific properties of the shape memory alloys are mainly due to the martensitic transformation occuring in the material turning the austenitic phase into a stress-induced martensitic phase when mechanical or thermal loadings are applied. This study focus on pseudoelasticity which allows SMAs to recover their initial state after undergoing large deformation. when a mechanical load is experienced.This study is focused on the behavior of SMAs under dynamic loading. Several experimental methods were developped : a Split Hopkinson Tensile Bar (SHTB) was set up and digital image correlation (DIC) was adapted to this case and allows us to measure heterogeneous strain fields on the surface specimen due to martensitic transformation.This work present a lot of experimental results and aim at helping researchers to develop behaviour models of SMAs for dynamic loading. The DIC was also adapted to fast imaging measure and Hopkinson bar tests, providing complementary results to the forces and velocities obtained with the bars.