Depuis près d'un siècle, les résonateurs à quartz à ondes de volume sont utilisés pour stabiliser les oscillateurs électriques. Cette longévité est due aux propriétés exceptionnelles du quartz et aux progrès constants de la technique. Pour les applications spatiales, il n'est généralement pas possible d'intervenir sur le composant. La dérive en fréquence doit alors être réduite et contrôlée sur des dizaines d'années. Cette variation systématique de la fréquence de résonance au cours du temps est due à l'évolution de plusieurs phénomènes physiques dont nous avons fait la synthèse et une analyse quantitative. Le premier de nos deux axes d'études porte sur l'étude des contraintes mécaniques dans la lame de quartz. Un travail bibliographique nous a permis d'étudier les spécificités de différentes formes de résonateur pour comprendre l'effet des contraintes mécaniques et les moyens de limiter la variation de fréquence induite. Les outils de modélisation actuels nous ont aidés à mettre au point une géométrie apportant une nette réduction de l'effet force-fréquence, confirmée par les mesures des premiers prototypes. L'autre axe d'étude est expérimental et porte sur un procédé essentiel communément appelé ''pré-vieillissement''. Les nombreuses contraintes de cette étude, telles que le temps, nous ont imposé une organisation méthodique de l'expérimentation. Ainsi, les plans factoriels fractionnaires nous ont permis de limiter les moyens techniques tout en obtenant les effets de chaque paramètre définissant le pré-vieillissement. Les résultats convergent vers la même conclusion que celle faite lors de l'étude quantitative des phénomènes physiques produisant le vieillissement.

Les roches basaltiques constituent près de 60 % de la surface terrestre formant en particulier la couche supérieure de la croûte océanique. Afin de mieux appréhender la capacité de rétention en fluides des basaltes, une meilleure connaissance de leurs propriétés mécaniques et élastiques est indispensable. Au cours de ce travail nous avons choisi d'étudier ces propriétés à trois échelles spatiales distinctes. L'approche grande échelle porte sur la caractérisation du lien entre basalte, fluides et fracturation en Islande. Cette île, née de l'accrétion océanique et d'une anomalie mantellique chaude, constitue, avec son hydrothermalisme intense, un laboratoire naturel idéal. Une étude géologique d'un ancien site de circulation de fluides chauds dans un encaissant basaltique a été réalisée permettant de mettre en évidence certaines caractéristiques intéressantes :modification des paramètres hydrodynamiques à proximité des zones de circulation, altération hydrothermale puissante et figures de fracturation hydraulique. Par ailleurs, l'approche grande échelle s'appuie sur l'étude de la microsismicité actuelle au niveau de la péninsule de Reykjanes, zone particulièrement active de l'île. A partir des données de tomographie acquises en 2005 et en utilisant un modèle de milieu effectif adéquat, nous avons réinterprété les anomalies de vitesse en terme de paramètres de fissuration de la croûte islandaise à cet endroit. Les résultats d'inversion montrent une diminution de la densité de fissure avec la profondeur excepté au niveau d'une zone localisée interprétée comme un réservoir de fluide supercritique. Les propriétés élastiques du basalte ont également été étudiées à l'échelle de l'échantillon grâce à des expériences en presse triaxiale. Le dispositif utilisé est celui de la presse ST100 du laboratoire de géologie de l'ENS spécialement conçue pour l'écoute des émissions acoustiques (EA) qui sont les analogues expérimentaux des séismes. Trois séries d'expériences avec augmentation de la contrainte axiale ont été menées sur un basalte de Reykjanes : (1) à bas confinement, 5 MPa de pression effective, (2) à haut confinement, 75 et 95 MPa de pression effective et (3) à haut confinement avec augmentation de la pression de pore. Les mesures de déformation, la localisation des EA, leur mécanisme et l'imagerie scanner des échantillons déformés ont montré différents modes de déformation du basalte. Pour les séries (1) et (3) la rupture se localise macroscopiquement par un plan de cisaillement oblique. Dans le cas (2) la déformation se localise dans la partie centrale de l'échantillon sous forme de bandes associant compaction (collapse de pores sphériques) et cisaillement (glissement inter-grains). Enfin, nous nous sommes intéressés aux propriétés élastiques du basalte à l'échelle microscopique en étudiant la dispersion des modules élastiques avec la fréquence. En effet, il est généralement connu que dans un milieu saturé en fluide, les modules basse fréquence (BF) sont plus faibles que les modules haute fréquence (HF), une partie de l'énergie des ondes élastiques se retrouvant dissipée par des mécanismes d'écoulement de fluides à différentes échelles. au cours de ce travail, nous n'avons considéré que le mécanisme dispersif du squirt-flow (écoulement local entre inclusions). Nous avons pour cela utilisé une approche couplant théorie et expérimentation. A l'aide d'un modèle de milieu effectif et des équations de Biot-Gassmann, les dispersions théoriques des modules d'incompressibilité K et de cisaillement G ont été calculées en fonction de la microstructure de porosité. On a montré que la dispersion est maximale quand le milieu est composé de pores sphériques et de fissures aplaties (facteur de forme < 5.10-3). Un nouveau protocole expérimental en presse a été développé au cours de cette thèse permettant d'acquérir des données de dispersion de K avec la fréquence. Les résultats expérimentaux sont venus confirmer les prédictions théoriques. Un effet de squirt-flow a ainsi été mis en évidence dans le basalte tant que les fissures restent ouvertes.

Les propriétés en fatigue à grand et très grand nombre de cycles des superalliages base Ni monogranulaires ont été étudiées à 1000°C sous trois fréquences (0.5, 70 et 20000 Hz) et quatre rapports de charge (-1, 0.05, 0.3, 0.8), en prenant le CMSX-4 comme alliage de référence.Dans un premier temps, le régime de fatigue à très grand nombre de cycles a été étudié à 20 kHz. A R = -1, la fissure fatale s’amorce à chaque fois depuis un pore de fonderie en interne et se propage suivant les plans cristallographiques {111}, pour des durées de vie entre 106 et 109 cycles, et ce malgré la présence d’autres défauts tels que les eutectiques ou carbures. Le procédé d’élaboration, en impactant directement la taille des pores de fonderie, contrôle la durée de vie alors que la microstructure a peu d’influence. A R = 0.8, le fluage contrôle la durée de vie en fatigue gigacyclique, et rend alors ce régime sensible à la microstructure et à la composition chimique de l’alliage. Les essais à très longues durées de vie (> 109 cycles) ont également été caractérisés et ont permis de proposer un mécanisme d’amorçage dans ce régime de fatigue.Dans un second temps, l’influence de la fréquence d’essai sur les endommagements dépendants du temps tels que l’oxydation et le fluage, et leur interaction, a été étudiée. A R ≤ 0, diminuer la fréquence d’essai revient à inhiber la criticité des défauts internes en favorisant l’endommagement en surface par oxydation. A R ≥ 0.8, le fluage est l’endommagement conduisant à la rupture des éprouvettes quelle que soit la fréquence de sollicitation ou la durée de vie. Les rapports de charge intermédiaires présentent une interaction importante entre les endommagements en oxydation, fatigue et fluage en fonction de la fréquence de sollicitation et des conditions de chargement. A partir de ces observations, un modèle d’endommagement a été proposé afin de prédire la durée de vie du CMSX-4 et présente des résultats satisfaisants par rapport aux données expérimentales. / High and very high cycle fatigue properties of Ni-based single crystal superalloys have been studied at 1000°C using three frequencies (0.5, 70, 20000 Hz), four stress ratios (-1, 0.05, 0.3, 0.8) and CMSX-4 alloy as reference.Firstly, the very high cycle fatigue regime (VHCF) has been studied at 20 kHz. At R = -1, fatal crack always initiates between 106 and 109 cycles from an internal casting pore et then propagates in a crystallographic mode, despite the presence of other metallurgical defects such as eutectics and carbides. The elaboration process controls VHCF life under these conditions as it directly affects casting pore size, whereas microstructure has no relevant influence. At R = 0.8, creep controls VHCF life and makes this regime sensitive to microstructure and alloy’s chemical composition. Long term tests (> 109 cycles) have also been characterized and have enabled to propose a crack initiation mechanism operating in the VHCF regime.Secondly, the influence of frequency on time-dependent damages such as oxidation and creep, and their interaction, has been studied. At R ≤ 0, reducing frequency inhibits the harmfulness of internal critical defects by promoting oxidation surface damage. At R ≥ 0.8, creep damage leads to specimens rupture for all frequency test and loading conditions. Intermediate stress ratios present an important interaction between oxidation, fatigue and creep damage according to the frequency and loading conditions. Based on these observations, a damage model that predicts CMSX-4 fatigue life has been proposed and presents satisfying results in comparison to experimental data.

Le but du travail est de trouver, dans le domaine de fatigue oligocyclique, une loi de propagation de fissure sous un chargement thermomécanique anisotherme. La loi trouvée permet ainsi d'avoir un dimensionnement optimal des culasses des moteurs HDI PSA dont le matériau constitutif est l'AS7G03 "dopé" cuivre. Le travail réalisé durant les trois années de thèse se résume par les cinq étapes suivantes : - Etude bibliographique : sur la microstructure des alliages d'aluminium, les critères de fatigue et les lois de propagation de fissure. - Calcul numérique de structure : Des calculs des champs thermomécanique ont été réalisés sur la structure afin de mettre en évidence les zones critiques des culasses et de déterminer la nature et les amplitudes des chargements dans la zone qui nous intéresse. - Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure : Plusieurs campagnes d'essais de fissuration isotherme et anisotherme à rapport de charge positif et négatif ont été menées sur des éprouvettes CT16 et des éprouvettes SEN. Egalement, des observations microstructurales (faciès de rupture, trajet de fissuration, plans de glissements, endommagements locaux dans les zones eutectiques, ...) ont été réalisées. - Loi de propagation de fissure : En se basant sur les résultats numériques et expérimentaux, une nouvelle loi de propagation de fissure a été développée et validée. - Implémentation du modèle formel dans le logiciel de calcul et réalisation des calculs et des essais en condition anisotherme afin de valider le modèle.

Cette thèse présente le travail effectué sur la conception d’un oscillateur à quartz miniature (volume visé de 1 cm3) con-trôlé en température. Les équipements de télémétrie, poursuite et contrôle tels que ceux utilisés dans les microsatellites (comme Myriades) sont d'un volume très important (8 litres). Des équipements avec un volume 8 fois moindre (1 litre) sont envisagés sur les pico et nano satellites. Une réduction drastique du volume et de la consommation est donc nécessaire, à performances égales. Elle nécessite une remise en question de l'ensemble des éléments composant l'équipement dont le micro-oscillateur, tant au niveau volume qu'au niveau consommation d’énergie. Les études préliminaires ont servi à définir le résonateur adapté pour satisfaire les spécifications de stabilité demandées. La simulation thermique d'un modèle d’oscillateur OCXO (Oven Controlled Xtal Oscillator) a permis d'obtenir une bonne compréhension des transferts de chaleur dans le dispositif. La réduction des pertes thermiques et l'augmentation de la stabilité thermique du résonateur étaient les principaux défis. La dilatation thermique du résonateur entraine des contraintes mécaniques au niveau de ses fixations et décale la fréquence de résonance. Un MEMS en silicium a été conçu pour supporter le résonateur à l’aide de simulations thermomécaniques. Ce support est compatible avec les contraintes de faible con-sommation et de sensibilité thermique tout en gardant une bonne résistance aux chocs. En ce qui concerne l’électronique, une puce ASIC utilisée depuis plusieurs années a été caractérisée pour établir un modèle numérique. Cette étude a dévoilé les facteurs limitants des performances de l’ensemble et permis d’envisager des solutions correctives. En intégrant dans la démarche les coûts de fabrication, l’utilisation d’un ASIC a été écartée (au moins provisoirement) au profit d’une solution exploitant des composants électroniques du commerce. Enfin, un démonstrateur de module physique miniature a été monté et caractérisé. Les résultats de mesures montrent que la consommation du démonstrateur reste inférieure à la spécification demandée (50 mW à une température extérieure de 25°C et à 100 mW pour -40°C). L’importance de la participation du rayonnement dans les échanges thermiques a aussi été validée expérimentalement. / This thesis presents the work on designing a miniature temperature controlled crystal oscillator (required volume is 1 cm3). TTC (Telemetry, Tracking and Control) equipment which is used in microsatellites (as Myriades) has a very important volume (8 liters). 8 times lower volume equipment (1 liter) is planned for pico and nano satellites. Therefore, a significant reduction of volume and consumption for equal performance is necessary. Redesign is required for all components of equipment items including micro-oscillator, as in volume as at the level of energy consumption. Preliminary studies have served to define the resonator adapted to satisfy the request stability specifications. Thermal simulation of an OCXO oscillator model (Oven Con-trolled Xtal Oscillator) has permitted to achieve a good understanding of heat transfer into the device. Reducing heat loss and increases the thermal stability of resonator were major challenges. Thermal expansion of the resonator causes mechanical stresses in its mountings and shifts the resonance frequency. A silicon MEMS has designed for supporting the resonator by using thermo-mechanical simulations. This support is compatible with the constraints of low consumption and heat sensitivity retaining good impact resistance. As regards electronics, an ASIC chip which is used during many years has characterized with the purpose to obtain the digital model. This study has revealed the limiting factors of the oscillator performance. Also it has allowed to provide remedial solutions. The ASIC using was rejected in favor of the solution operating with commercial electronic components (at least temporarily). Finally, a miniature demonstrator of physical module was assembled and characterized. The measuring results show that demonstrator consumption remains below the required specification (50 mW at outside temperature 25°C and 100 mW at -40 ° C). The importance of the participation of radiation within the thermal exchanges has also validated experimentally.