Les nanocomposites, et plus particulièrement les nanocomposites à renforts plaquettaires, offrent de remarquables propriétés mécaniques. La maîtrise de leur comportement mécanique repose sur une bonne compréhension des mécanismes de déformation en jeu, ainsi que des relations liant leur microstructure à leur réponse à l’échelle macroscopique. L’importance de cette nouvelle classe de matériaux, ainsi que le faible nombre de travaux actuellement disponibles sur leur comportement mécanique ont motivé les travaux présentés dans ce mémoire. Ceux-ci concernent aussi bien la caractérisation expérimentale que la modélisation micromécanique, tant en régime élastique linéaire que pour les réponses non linéaires. On présente d’abord les différentes classes de nanocomposites, et tout particulièrement les nanocomposites à renforts plaquettaires. Puis on décrit les résultats des tests mécaniques réalisées sur un nanocomposite à matrice polypropylène et renforts de nano plaquettes d’argile de Montmorillonite. Afin de fournir une évaluation de la pertinence des méthodes d’homogénéisation linéaires usuellement mises en œuvre, les résultats fournis par le modèle de Mori-Tanaka et par la borne de Ponte Castañeda et Willis sont confrontés à des données expérimentales bibliographiques ou obtenues au cours de cette thèse. Ces confrontations ont permis de démontrer à la fois l’intérêt et les limites des modèles mis en œuvre ; elles ont été aussi à l’origine des investigations permettant de rendre compte des effets de taille de nano renforts, au travers d’une élasticité surfacique du type Gurtin-Murdoch. / Nanocomposites and especially nanocomposites with platelet reinforcements have remarkable mechanical properties. The development of this class of materials requires an understanding of the deformation mechanisms involved in the mechanical behavior and of the link between materials microstrusture and their macroscopic properties. Experimental data and modeling tools of their mechanical behavior are still rare. This has motivated the present study which includes both an experimental characterization and micromechanical modeling in linear regime as well as for non linear response. We first present the different class of nanocomposites and their properties, and especially for the nanocomposites reinforced by nano platelets. Then we show the results of mechanical tests conducted on nanocomposites made up of polypropylene reinforced by montmorillonite clay nano platelets. In order to provide a rigorous evaluation of homogenization techniques classically used for composites, the predictions of Mori-tanaka estimate and Ponte Castañeda and Willis bound are compared to experimental data from bibliography or from tests performed during this thesis. These comparisons allowed to demonstrate the interest of the implemented methods and to show their limits for the description of the nanocomposite behavior. They have motivated the implementation and the evaluation of models which account for size effect of the nano reinforcements by means of a Gurtin-Murdoch type surface elasticity.

Le comportement mécanique d'un alliage nickel-chrome (Ni20Cr) a été étudié en fonction du nombre de grains dans l'épaisseur, et dans une moindre mesure de l'épaisseur, à l'aide d'essais mécanique statiques à température ambiante ainsi que d'observations en microscopie électronique à transmission (MET). L'objectif principal est de caractériser les mécanismes à l'origine de la transition volume/surface du comportement mécanique observée. Une première série d'échantillons est d'épaisseur constante (1,6 mm) mais de diamètre moyen de grains variable. L'hypothèse de l'influence du nombre de grains dans l'épaisseur qui se dégage des observations effectuées est examinée à l'aide d'une seconde série d'échantillons d'épaisseur variable (125 mm et 250 mm). Les microstructures des deux séries est par ailleurs caractérisée par EBSD et MEB démontrant leur similitude. Il ressort que la réduction du nombre de grains dans l'épaisseur en deçà d'un seuil critique, indépendamment de la série, conduit à une modification notable des caractéristiques du glissement plastique ainsi que des contraintes internes. Le comportement mécanique n'est plus alors polycristallin mais multicristallin voire quasi-monocristallin pour les très faibles nombres de grains dans l'épaisseur. L'émergence d'effets de surfaces pourrait expliquer ce phénomène. Parallèlement, compte tenu du caractère technologique du matériau étudié, quelques essais mécaniques en température (traction, fluage) ont été réalisés à la lumière des résultats précédents.

Il a été observé expérimentalement, dans la littérature, que la résistance du béton léger de polystyrène, à densité égale, diminue sensiblement lorsqu'on augmente la taille Ø des inclusions légères. L'objectif de cette thèse est l'identification de l'origine physique ainsi que la modélisation de cet effet de taille. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les mécanismes de rupture et l'effet de taille dans un béton léger modèle 2D où les billes de polystyrène sont remplacées par des trous de même taille distribués dans une matrice cimentaire homogène. Dans la deuxième partie de ce travail, une étude expérimentale a été conduite sur trois types de béton de polystyrène renfermant trois tailles différentes de billes et présentant des densités allant de 1200kg/m3 à 2000kg/m3. En outre, pour s'assurer que la taille du Volume Elémentaire Représentatif (VER) pour la résistance en compression du béton de polystyrène est atteinte, des éprouvettes homothétiques ont été testées. L'effet de la taille des hétérogénéités de la matrice (grains du sable) a été aussi étudié en testant trois types de matrice cimentaire. Les résultats de cette étude ont confirmé la présence d'un effet de taille, mais aussi une interaction antagoniste avec l'effet de la taille maximale lm des hétérogénéités de la matrice. Une démarche phénoménologique, basée sur l'analyse des mécanismes de ruine observés expérimentalement dans le béton de polystyrène a été suivie pour expliquer l'effet de taille et identifier la loi le régissant. Enfin, une étude numérique 2D de cet effet de taille a été conduite sur un réseau de barres, en se basant sur la théorie des équivalences.

Des simulations de dynamique de dislocation (DD) sont utilisées pour l’étude de l'effet Hall-Petch (HP) et des contraintes internes à long-portée induites par les hétérogénéités de déformation dans les matériaux polycristallins.L'effet HP est reproduit avec succès grâce à des simulations de DD réalisées sur de simples agrégats polycristallins périodiques composés de 1 ou de 4 grains. De plus, l'influence de la forme des grains a été explorée en simulant des grains avec différents rapports d'aspect. Une loi généralisée de HP est proposée pour quantifier l'influence de la morphologie du grain en définissant une taille de grain effective. La valeur moyenne de la constante HP $K$ calculée avec différentes orientations cristallines à faible déformation est proche des valeurs expérimentales.Les dislocations stockées pendant la déformation sont principalement localisées à proximité des joints de grain et peuvent être traitées comme une distribution surfacique de dislocations. Nous avons utilisé des simulations DD pour calculer les contraintes associées aux parois de dislocations de différentes hauteurs, longueurs densités et caractères. Dans tous les cas, la contrainte est proportionnelle à la densité surfacique de dislocations géométriquement nécessaires (GNDs) et sa variation est capturée par un ensemble d'équations empiriques simples. Une prévision de contraintes à long-portée dans les grains est réalisée en sommant les contributions des GNDs accumulées de part et d’autre des joints de grains.L'augmentation de la contrainte interne liée au stockage de GNDs est linéaire avec la déformation plastique et est indépendante de la taille des grains. L'effet de taille observé dans les simulations de DD est attribué au seuil de déformation plastique, contrôlé par deux mécanismes concurrents : la contrainte critique de multiplication des sources et la contrainte critique de franchissement de la forêt. En raison de la localisation de la déformation dans les matériaux à gros grains, le modèle d’empilement des dislocations doit être utilisé pour prédire la contrainte critique dans ce cas. En superposant cette propriété aux analyses que nous avons fait à partir de simulations de DD dans le cas d'une déformation homogène, l'effet HP est justifié pour une large gamme de tailles de grains. / Dislocation Dynamics (DD) simulations are used to investigate the Hall-Petch (HP) effect and back stresses induced by grain boundaries (GB) in polycrystalline materials.The HP effect is successfully reproduced with DD simulations in simple periodic polycrystalline aggregates composed of 1 or 4 grains. In addition, the influence of grain shape was explored by simulating grains with different aspect ratios. A generalized HP law is proposed to quantify the influence of the grain morphology by defining an effective grain size. The average value of the HP constant K calculated with different crystal orientations at low strain is close to the experimental values.The dislocations stored during deformation are mainly located at GB and can be dealt with as a surface distribution of Geometrically Necessary Dislocations (GNDs). We used DD simulations to compute the back stresses induced by finite dislocation walls of different height, width, density and character. In all cases, back stresses are found proportional to the surface density and their spatial variations can be captured using a set of simple empirical equations. The back stress calculation inside grains is achieved by adding the contributions of GNDs accumulated at each GB facet.These back stresses are found to increase linearly with plastic strain and are independent of the grain size. The observed size effect in DD simulations is attributed to the threshold of plastic deformation, controlled by two competing mechanisms: the activation of dislocation sources and forest strengthening. Due to strain localization in coarse-grained materials, the pile-up model is used to predict the critical stress. By superposing such property to the analysis we made from DD simulations in the case of homogeneous deformation, the HP effect is justified for a wide range of grain sizes.

La fatigue de contact fait référence au processus d’endommagement situé à l’extrémité du contact entre deux corps soumis à des chargements de fatigue. La prédiction de ce phénomène est d’une importance majeure dans la détermination de la durée de vie de certains systèmes tels que les disques de turbines. Au voisinage du front de contact, le champ de contraintes est maximal en surface et présente un fort gradient sous le contact. De plus, la différence d’échelle entre les essais effectués en laboratoire et les systèmes industriels a motivé l’étude de l’effet de taille sur les modèles de fatigue des systèmes soumis à des chargements de fatigue du contact.Afin de quantifier l’effet de gradient de contraintes et l’effet de taille, des essais ont été effectués sur une machine de fatigue munis de deux vérins verticaux à l’université de Brasilia. Les essais ont été menés de sorte que les gradients de contraintes, puis les volumes contraints, soient différents. Une étude post-mortem des surfaces de rupture a été effectuée à l’aide d’un microscope confocal. Durant cette thèse, il a été montré que, pour un alliage de Ti-6Al-4v, une approche non locale basée sur un champ de vitesse équivalent extrait à l’intérieur d’une zone prédéterminée autour de l’extrémité du contact amène des résultats encourageants pour la détermination de la durée de vie. L’influence de la force de fatigue sur la description des mécanismes d’initiation de fissures et leur propagation a également été déterminée et il est apparu que cette dernière ne pouvait pas être négligée lors de la définition de la frontière d’initiation des fissures. En effet, si, en fatigue du contact, environ 75% du mécanisme d’initiation des fissures est contrôlé par les contraintes de contact, i.e. les contraintes de cisaillement et de pression, la prise en compte de la contrainte normale permet d’obtenir des prédictions plus précises.L’étude de l’effet de taille a été divisée en deux phases. Premièrement, l’influence de la taille du volume sous contrainte a été analysée. Pour cela, l’épaisseur des éprouvettes a été réduite tandis que le gradient de contraintes sous le contact ainsi que l’aire de la surface endommagée étaient maintenus constants. Dans un second temps, l’impact de la zone endommagée sur la résistance à la fatigue a été isolé en maintenant les paramètres expérimentaux, i.e. σB,max/p0 et Q/fP, constants tandis que l’aire endommagée par le frottements était réduite. Les résultats expérimentaux ont été analysés à l’aide d’un critère de fatigue multiaxial, le Courbe de Wöhler Modifiée, conjointement avec l’application de la théorie de la distance critique. Il a été montré qu’aucun de ces deux paramètres n’influence significativement la durée de vie en fatigue, et ainsi le terme « effet de taille » généralement référencé dans la littérature comme un effet d’endommagement devrait seulement être adressé comme un effet de gradient. / Fretting fatigue refers to the damage process localized at the frontier of the contact between two contacting bodies subjected to fatigue loadings. The prediction of this phenomenon is of major importance in determining, for instance, the lifetime of fan’s disk. In the vicinity of the contact front, the stress field inherited from the contact loads is maximal at the surface and displays a strong gradient under the contact. The difference of scale between the laboratory’s experiments and the industrials’ system motivated the study of the impact of the size effect for the determination of the lifetimes.To quantify the effect of the stress gradient and of the size effect, tests were carried out on a two vertical-actuators fretting-fatigue rig at the University of Brasilia, with experimental conditions ensuring different stress gradient and later different volume solicited under the contact. Damage mechanisms were studied using post-mortem analysis with a confocal microscope on some contact elements tested.It was shown on this thesis, for a Ti-6Al-4V alloy, that a nonlocal approach, based on equivalent velocity field on a determined area around the contact, leads to good expectation for the determination of fretting fatigue lives. The influence of the bulk stress for the description of the fretting fatigue crack initiation and propagation was also determined and it appears that it could not be neglected for the determination of the crack initiation boundary. As a matter of fact, if around 75% of the crack initiation mechanism in fretting fatigue is controlled by the contact stresses, i.e. shear and contact stresses, the consideration of the normal stress allows to obtain more realistic prediction. The study of the size effect was divided into two phases. First the influence of the volume stressed was investigated by reducing the width of the contact but maintaining the stress gradient under the contact and the damaged area within the slip zone constant. Then, the influence of the damaged area within the slip zone was isolated by maintaining the experimental parameters, i.e. σB,max/p0 and Q/fP, constant while the damaged area under the slip zone was reduced. The experimental results were analysed by applying a fatigue criterion, the Modified Wöhler Curve Method, in conjunction with the Theory of the Critical Distance. It was found that none of these two parameters influences significantly the fretting fatigue lifetimes, and so the term ‘size effect’ usually referenced in the literature as a damaging effect should refer only to the gradient effect.

En raison du durcissement des normes d'émissions de CO2 par l'Union Européenne, les constructeurs automobiles sont contraints d'alléger leurs véhicules, particulièrement en diminuant l'épaisseur des pièces. Par conséquent, les fournisseurs d'acier doivent proposer de nouveaux aciers capables, à épaisseur plus faible, de garantir une sécurité des passagers identique voire meilleure. Augmenter la résistance mécanique ne suffit pas puisque les propriétés de mise en forme se retrouvent diminuées. Un compromis peut être trouvé en optimisant la microstructure en combinant par exemple les bonnes propriétés de différentes phases comme dans les nouvelles générations d'aciers multiphasés. L'optimisation de la microstructure peut demander un nombre d'essais expérimentaux conséquent. La simulation numérique représente un outil efficace permettant de diminuer le temps et les coûts de conception en diminuant considérablement les campagnes expérimentales. Ce travail de thèse vise à développer un outil numérique capable de modéliser le comportement élasto-viscoplastique des aciers multiphasés lors de simulations numériques 3D de mise forme dans le logiciel de calcul par éléments finis Abaqus. Une loi phénoménologique à base physique a été formulée de manière incrémentale dans un cadre tensoriel afin de modéliser le comportement élasto-viscoplastique des phases constitutives. Cette loi originale a été confrontée à la fois à des essais expérimentaux et à d'autres modèles issus de la littérature. Le comportement macroscopique de l'acier multiphasé est obtenu en utilisant un schéma autocohérent écrit spécifiquement pour des matériaux hétérogènes élasto-viscoplastiques. Par ailleurs, une nouvelle approche micromécanique visant à introduire des effets de longueurs internes microstructurales (taille de grain, taille de particule, etc.) est proposée et validée à l'aide de données expérimentales. Enfin, l'outil numérique développé dans ce travail de thèse est appliqué à la simulation d'essais de traction uniaxiale et de pliage en V afin d'évaluer la pertinence des phénomènes physiques (tels que la striction, les effets de vitesse de déformation sur la localisation et l'effet Bauschinger) dus au mélange de phases élasto-viscoplastiques.

La motivation de ce travail est la mise au point d'outils permettant de prédire des effets de taille sur le comportement mécanique de nanocomposites particulaires. On se propose d'introduire des informations spécifiques du comportement à l'échelle atomique, par le biais de simulations de Dynamique Moléculaire (DM), dans des modèles d'homogénéisation du comportement mécanique global de matériaux hétérogènes (approche micromécanique). L'intérêt de la démarche proposée au cours de ces travaux réside dans le fait qu'elle peut s'étendre au cas plus général de la prise en compte de longueurs caractéristiques dans les matériaux hétérogènes. L'étude de nanocomposites virtuels par le biais de simulations de DM met en évidence l'existence d'une i! nterphase de matrice perturbée entourant les inclusions. Ces systèmes virtuels sont composés d'inclusions de silice noyées dans une matrice polymère. L'étendue de ces perturbations, observées sur l'architecture des chaînes de polymère, est indépendante de la taille des inclusions et du taux de renforts, mais décroît lorsque la température augmente. Via la considération de cette interphase d'épaisseur fixe entourant les nanoparticules, un intérêt particulier est porté sur l'introduction, dans les modèles micromécaniques, d'un effet de taille des inclusions sur les propriétés mécaniques effectives des nanocomposites. Pour les faibles fractions volumiques d'inclusions, la prise en compte d'un seul motif de type 3 phases se révèle pertinente. L'étude du comportement mécanique des nanocomposites virtuels, au tr! avers de la DM, met en évidence un phénomène de! renforc ement des modules effectifs et un effet de taille des particules. La confrontation avec les modèles micromécaniques et la détermination par méthode inverse des modules élastiques de l'interphase grâce au modèle "3+1-phases" permettent d'expliquer les phénomènes de renforcement observés en DM dans le cas d'une interphase plus souple que la matrice.

Cette thèse traite de la modélisation multi-échelle de composites particulaires fortement chargés. La méthode d’estimation, qualifiée d’“Approche Morphologique” (A.M.), repose sur une double schématisation géométrique et cinématique du composite permettant de fournir la réponse aux deux échelles. Afin d’évaluer les capacités prédictives de l’A.M. en élasticité linéaire avec évolution de l’endommagement, l’A.M. est testée vis-à-vis de ses aptitudes à rendre compte des effets de taille et d’interaction de particules sur la chronologie de décohésion. Pour cela, différentes microstructures périodiques simples, aléatoires monomodales et bimodale générées numériquement sont considérées. Les résultats obtenus sont cohérents avec les données de la littérature : la décohésion des grosses particules précède celle des plus petites et est d’autant plus précoce que le taux de charges est important. Puis, l’objectif est de coupler deux non-linéarités traitées séparément dans deux versions antérieures de l’A.M : l’endommagement par décohésion charges/matrice et les grandes déformations. La formulation du problème de localisation-homogénéisation est reprise à la source de manière analytique. Le critère de nucléation de défauts est étendu en transformations finies. Le problème obtenu, fortement non-linéaire, est résolu numériquement via un algorithme de Newton-Raphson. Les étapes sous-jacentes à la résolution (calcul de la matrice tangente, codage en langage Python®) sont explicitées. Des évaluations progressives (matériaux sain et endommagé)permettent de valider la mise en oeuvre numérique. Les effets de taille et d’interaction sont alors restitués en transformations finies. / This study is devoted to multi-scale modeling of highly-filled particulate composites.This method, the “Morphological Approach” (M.A.), is based on a geometrical and kinematicalschematization which allows the access to both local fields and homogenized response. In order toevaluate the predictive capacities of the M.A. considering a linear elastic behavior for the constituentsand evolution of damage, analysis is performed regarding the ability of the M.A. to accountfor particle size and interaction effects on debonding chronology. For that purpose, simple periodic,random monomodal and bimodal microstructures are considered. The results are consistent withliterature data : debonding of large particles occurs before the one of smaller particles and thehigher the particle volume fraction, the sooner the debonding. Finally, the objective is to operatethe coupling of two non linearities which were separately studied in previous versions of the M.A. :debonding between particles and matrix, and finite strains. The whole analytical background of theapproach is reconsidered in order to define the localization-homogenization problem. The nucleationcriterion is extended to the finite strains context. The final problem, strongly non linear, is numericallysolved through a Newton-Raphson algorithm. The different solving steps (jacobian matrix,coding with Python®) are developed. Progressive evaluations (sound and damage materials) allowthe validation of numerical implementation. Then, size and interaction effects are reproduced infinite strains.

Dans la première partie de ce manuscrit, nous développons un nouveau procédé pour obtenir des modèles d'endommagement pour les solides, pour lesquels la loi d'évolution d'endommagement est déduite par homogénéisation, à partir d'une analyse microstructurale. La nouvelle approche est illustrée dans le cas des matériaux fragiles. L'outil principal est une analyse énergétique macroscopique sur une cellule de taille finie, qui mène, par homogénéisation, à une équation macroscopique d'évolution d'endommagement. Dans cette équation, la longueur des microfissures apparaît comme variable d'endommagement et la taille de la cellule de périodicité represente un paramètre de longueur interne du matériau. La dissipation, liée au frottement sur les lèvres des microfissures, est également prise en compte.<br />Dans la deuxième partie, nous étudions les comportements instables des milieux granulaires modélisés par des grains élastiques, en grandes déformations, et des microfissures inter-granulaires. On emploie une méthode d'éléments finis à deux échelles. Les frontières entre les grains sont modélisées avec des<br />lois cohésives, frottement et contact unilatéral. Nous prouvons que la décohésion entre les grains est à l'origine des macro-instabilités, indiquées par la perte d'ellipticité du problème d'équilibre. On étudie l'influence des conditions aux frontières, des paramètres de la loi cohésive et du frottement. Nous donnons des exemples de bifurcation et nous montrons que la réponse macroscopique dépend de la taille de VER.

Cette thèse porte sur l'étude de la structure et de la réactivité d'agrégats de palladium déposés sur une surface d'alumine, qui sont des modèles de catalyseurs. L'enjeu de ce travail est de dégager l'effet du support sur la nucléation et la réactivité de la phase métallique tout en prenant en compte de façon explicite l'hydratation des surfaces de l'alumine. Des agrégats de 1 à 13 atomes ont été étudiés. Une première partie concerne l'exploration de la structure des agrégats sur la surface. Deux modes d'interaction ont été révélés par le calcul. Les petits agrégats (<3 atomes) montrent une interaction forte avec la surface, induisant une déformation marquée de celle-ci. Pour des plus grosses tailles, la thèse montre que les agrégats développent une interaction faible avec le support, et que la structure est dominée par les interactions Pd-Pd. La réactivité des agrégats de taille 4 a été également étudiée par adsorption de CO et d'éthylène. Cette étude permet de démontrer à la fois les effets liés à la taille de l'agrégat et à l'interaction avec le support d'alumine. Plusieurs concepts qualitatifs importants ressortent de ce travail.