Les travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet de recherche européen MAAXIMUS (More Affordable Aircraft through eXtended, Integrated and Mature nUmerical Sizing) et portent sur la simulation numérique de problèmes d'assemblages de composants en matériaux composites stratifiés. Ces assemblages sont sources de deux types de non-linéarités. D'une part, l'interface entre les pièce conduit au traitement de non-linéarités fortes (contact, frottement). D'autre part, dans les composants de l'assemblage, le comportement du matériau stratifié est complexe, du fait des nombreux phénomènes de dégradations interagissant entre eux. Ces deux aspects ont une influence forte sur la réponse globale de l'assemblage, ce qui implique la résolution de systèmes de très grandes tailles, nécessitant généralement l'utilisation de moyens de calcul parallèles.Le couplage entre ces deux problématiques nécessite donc l'utilisation d'algorithmes de calcul parallèle dédiés et robustes, à même de traiter de nombreuses non-linéarités très fortes. Pour cela, la méthode LATIN (pour LArge Time INcrement) présente de nombreux avantages, déjà mis en évidence dans le cas de calcul d'assemblages de pièces élastiques lors de travaux précédents. Le but de ces travaux est donc d'élargir le cadre de la méthode au cas des pièces au comportement endommageable et anélastique.Un dernier aspect, qui sera abordé au sein de ces travaux, traite des fortes variabilités des coefficients intervenant dans les lois non-linéaires. Par conséquent, il est nécessaire de pouvoir traiter un très grand nombre de problèmes affectés de valeurs de coefficients différents. Pour cela, la stratégie multiparamétrique, intimement liée à la méthode LATIN, doit être étendue au cas de comportements matériau non-linéaires. Elle sera alors appliquée au travers de plusieurs paramètres variables : coefficients de frottement, précharges des éléments de fixation, seuil d'endommagement des matériaux... / The presented work, within the framework of the European research project MAAXIMUS (More Affordable Aircraft through eXtended, Integrated and Mature nUmerical Sizing), is dedicated to the numerical simulation of assemblies with components made of laminated composites. These assemblies involve two types of high non-linearities. First ones are linked to the interfaces between parts (unilateral contact and friction). Second ones are linked to the constitutive material behaviour, from its initial properties to the complex evolution of degradations. These two non-linearities have a strong influence on the response of the assembly, which involves solving systems with a high number of degrees of freedom and generally requires the use of parallel computing resources.The coupling between the two sources of non-linearities requires dedicated and robust algorithms, able to run on parallel architectures and to deal with many very strong non-linearities. The efficiency of the LATIN method (LArge Time INcrement) has already been highlighted in the case of assemblies with elastic components. A first aim of this work is thus to extend the method to the case of damageable and anelastic components' behaviour.A second aim is to deal with the variability of the coefficients involved in the non-linear laws. Each set of parameters (friction coefficients, preload of fasteners, damage threshold of material laws...) requiring a given calculation, the multiparametric strategy of the LATIN method must be extended to the case of non-linear materials in order to efficiently reduce the computation time.

La thèse étudie les mécanismes de collage des alliages d’aluminium sur les outils lors de leur mise en forme. Dans un premier temps une méthodologie expérimentale utilisant le banc d’essai USTest proposée. Elle permet de travailler en laboratoire en respectant des conditions de contact proches de celles rencontrées en industries. Une campagne d’essais est réalisée, sollicitant le matériau sous diverses conditions de pression de contact, de vitesse de glissement et de lubrification. Les analyses métallurgiques et mécaniques de cette campagne permettent d’établir un lien entre les conditions de contact d’une part et le transfert de matière sur les outils d’autre part. Un mécanisme d’apparition du collage de l’aluminium sur les outils en forge à froid est proposé. Dans un second temps l’aptitude à prédire l’apparition du collage aux outils des alliages d’aluminium lors de leur mise en forme à froid de quatre modèles d’endommagement et de rupture usuels est étudiée. Un ensemble de simulations numériques est mené pour quantifier l’influence des conditions de contact rencontrées lors des essais UST sur l’état d’endommagement des éprouvettes au voisinage de leur surface. Les résultats montrent que le coefficient de frottement seul n’est pas suffisant pour rendre en compte de la sévérité du tribosystème et qu’une approche multiéchelle est nécessaire pour simuler l’effet de la rugosité des outils sur l’apparition des premiers transferts de matière. De nombreuses perspectives sont également présentées pour améliorer la compréhension des phénomènes de collage et la modélisation numérique de ces phénomènes. / The thesis investigates the mechanisms of galling of aluminum alloys on tools during cold forming. First, an experimental methodology using the test bench UST is proposed. It enables the simulation in the laboratory of the conditions of contact similar to those encountered in industries. A series of trials is performed, testing the material in various conditions of contact pressures, sliding speeds and of lubrication. A link between the contact conditions on the one hand and mass transfer on the other hand tools is established and a mechanism of occurrence of adhesion of aluminum on cold forging tools is proposed. In a second step four damage and failure models are presented and their abilities to predict the onset of galling of aluminum are discussed. A set of finite element simulations is performed and compared to experimental results in order to quantify the influence of contact conditions on evolution of damage encountered in the vicinity of the specimen surface. The results show that a single coefficient of friction is not sufficient to model the severity of the tribosystem. A multi-scale approach is then proposed to simulate the effect of the roughness of the tools on the first step of material transfer. Many prospects are also presented to improve the understanding of the phenomena of bonding and numerical modeling of these phenomena.

L’objectif de ce travail est d’étudier quantitativement l’évolution des propriétés de surface des matériaux carbonés et leur réactivité dans les conditions proches de celles rencontrées lors du taxiage des avions. Les essais de freinage ont été réalisés à l’aide d’un Banc d’Essai Tribométrique à Simulation Inertielle. Les composites C/C frottés et les débris d’usure sont caractérisés par des techniques non-conventionnelles multi-échelles. Les composites frottés (dans leur totalité) et les débris d’usure sont caractérisés par thermo-désorption programmée et chimisorption d’oxygène. Ces analyses permettent de déterminer la nature et la quantité de groupes fonctionnels et la teneur en sites actifs, caractéristique de la réactivité intrinsèque du carbone et responsable de l’interaction avec les espèces gazeuses de l’environnement. Ces caractérisations sont complétées par des analyses morphologiques, structurales et texturales par microscopies, diffractions des rayons X, adsorption de gaz. L’analyse des caractéristiques physico-chimiques des débris d’usure et des disques frottés permet de remonter aux réactions tribochimiques ayant eu lieu dans le contact : des réactions chimiques entre l’oxygène ou l’eau et les liaisons C-C rompues ont été mises en évidence. Un modèle permettant de justifier les différences de propriétés tribologiques lors des essais de taxiage a été proposé. Ce modèle, basé sur la réactivité du système et sur les propriétés de l’interface de frottement, permet d’élucider les problématiques liées à la température dans ce type de système. / The objective of this work is to study quantitatively the evolution of carbon materials surface properties and reactivity under breaking conditions similar to those encountered during taxiing. The breaking tests were carried out using a Tribometric Test Bench. The rubbed C/C composites and the wear debris collected are then characterized by mutiscale unconventional techniques. The whole rubbed composites and the wear debris are characterized by Temperature-Programmed Desorption and by oxygen chemisorption. These analyzes are used to determine the nature and amount of functional groups and the content of active sites that is characteristic of the reactivity of the carbon material and also responsible of its interaction with the surrounding environment. The characterizations are completed by morphological, structural and textural analysis, such as Electron Microscopy, X-Ray Diffraction and gas adsorption. The analysis of the physic-chemical characteristics of wear debris and of the rubbed discs enables to evidence the tribochemical reactions occurring in the mechanical contact: chemical reactions between oxygen or water and the broken C-C bonds have been evidenced. A model is finally proposed, justifying the differences in the tribological properties during taxiing tests. The later is based on the carbon reactivity and on the interface properties and justify the temperature dependence of this system.

Le but de ce travail de thèse est d'identifier les mécanismes moléculaires mis en jeu lors du frottement de polymères liquides sur une paroi solide.Dans une première partie, nous avons étudié l'influence de la température T sur le glissement de fondus. Grâce à la technique de vélocimétrie par photoblanchiment, nous avons mesuré la longueur de glissement de PDMS pour plusieurs températures et vérifié l'hypothèse de Navier, qui permet de définir le coefficient de frottement interfacial k comme le rapport entre la viscosité et la longueur de glissement. Loin de la température de transition vitreuse, k augmente exponentiellement avec 1/T, tendance que nous avons vérifiée par une mesure indépendante pour des lentilles de PDMS réticulé. Ainsi, le mécanisme de frottement d'un fondu de polymère est un processus thermiquement activé. La comparaison des énergies d'activation du frottement et de la viscosité prédit le sens de variation de la longueur de glissement avec la température.Le second volet de notre travail s'est focalisé sur l'identification des mécanismes moléculaires du frottement de solutions semi-diluées de polymère. Les expériences de glissement pour des solutions de PS dans le DEP nous ont permis de mettre en évidence un régime transitoire de glissement des solutions, correspondant à une mise en glissement du fluide. Nous avons proposé un modèle de glissement d'un fluide de Maxwell en accord quantitatif avec les expériences.Dans le régime de glissement stationnaire, nous avons étudié l'influence de la fraction volumique φ en polymère sur le frottement des solutions. En régime newtonien, la loi d'échelle mesurée pour k φ en fonction de la fraction volumique met en évidence la dépendance du coefficient de frottement interfacial avec l'écart à la température de transition vitreuse des solutions. Nous attribuons le frottement des solutions de PS dans le DEP au frottement des blobs sur la paroi et non à la formation d'une couche déplétée en polymère.Enfin des expériences de réflectivité de neutrons nous ont permis d'observer directement l'interface solide / solution de polymère. Nous avons mis en évidence l'existence d'une couche adsorbée en polymère. Nous avons mesuré son profil de concentration en fonction de la distance à la paroi. L'interdigitation des chaînes libres et de surface affecte le glissement des solutions. / The aim of this work is to identify the molecular mechanisms driving the friction of liquid polymers on a solid substrate.First, we studied the effect of the temperature T on the slippage properties of PDMS melts. Using a velocimetry technique based on photobleaching, we measured the temperature dependence of the slip length of PDMS and checked the validity of Navier’s hypothesis, which defines the friction coefficient k as the ratio between the bulk viscosity to the slip length. Far above the glass transition temperature, k(T) increases exponentially with 1/T, a result that we confirmed with an independent measurement of k for the friction of crosslinked PDMS lenses. The friction mechanism of melts is a thermally activated process. The comparison of the activation energies for the friction and for the viscosity allows one to predict if the slip length increases or deacreases with temperature.We then focused our work on the identification of the friction mechanisms of semi diluted polymer solutions. Based on slip experiments of PS in DEP solutions, we evidenced a transient onset of slippage regime. Considering the viscoelasticity of the fluid and its friction properties, we developed a mechanical model of friction of a Maxwell-like fluid that well describes our experimental data.In the stationary slippage regime, we studied the influence of the polymer volume fraction φ on the slippage of solutions of polymer. In the Newtonian regime, the measured scaling law for k φ as a function of the volume fraction highlights the dependence of the friction coefficient on the distance to the glass transition temperature of the solution. Thus, the friction of the PS in DEP solutions can be attributed to the friction of blobs on the surface, rather than to the existence of a depletion layer.We directly observed the solid / polymer solution interface thanks to neutron reflectivity: these experiments reveal the formation of an adsorbed polymer layer and we could measure its concentration profile close to the solid wall. The interdigitation between volume and surface polymer chains plays a key role in the slippage of the solutions.

Les assemblages boulonnés doivent être conçus en tant qu’assemblages de type antiglissement s’ils sont soumis à des charges variables, à des vibrations ou à un phénomène de fatigue. Ces situations sont fréquentes dans la construction des ponts en acier. Le fini de surfaces de contact des pièces en acier à assembler contrôle le niveau de résistance au glissement des assemblages. Les normes de conception, telle que le code canadien sur le calcul des ponts routiers CAN/CSA S6-06 (CSA 2006) ainsi que American Institute of Steel Construction (AISC 2010), spécifient les conditions de surfaces de contact avec des coefficients de frottement associés à utiliser pour la conception. Actuellement, ces normes ne spécifient pas la résistance au glissement pour des surfaces de contact qui sont métallisées ou pour une combinaison de surface métallisée et une autre galvanisée (appelées métallisées-galvanisées dans ce qui suit), alors que les éléments de la charpente d’acier sont couramment métallisés ou galvanisés pour assurer leur durabilité. Les fabricants de ponts sont donc obligés de masquer les surfaces de contact des assemblages avant d’appliquer les revêtements de protection sur les éléments structuraux, ce qui augmente considérablement les coûts et le temps de fabrication. Dans cette recherche, les résistances au glissement des assemblages de type antiglissement ayant des surfaces complètement métallisées ainsi que des surfaces métallisées-galvanisées, ont été caractérisées en vue des dispositions de la norme canadienne en vigueur. Les coefficients de frottement moyens sont obtenus en effectuant des tests en compression et en tension. Ces tests ont révélé une grande augmentation de la résistance au glissement des surfaces de contact métallisées, comparativement aux surfaces décapées sans revêtement. Pour ce qui est des surfaces de contact métallisées-galvanisées, les coefficients de frottement obtenus ont été plus élevés que ceux fournis par la norme pour les surfaces de contact galvanisées et, dans la majorité des cas, aussi élevés que ceux pour les surfaces décapées sans revêtement. Mots clés: assemblages boulonnés antiglissement, galvanisation à chaud, métallisation, normes de conception de la charpente d’acier, ponts en acier, résistance au glissement. / The slip resistance is a critical factor influencing high strength bolted joint behaviour in steel structures under repeated loading. The surface condition of the connected steel components, also known as the faying surface, controls the level of the slip resistance. Design standards, such as the Canadian Highway Bridge Design Code CAN/CSA S6-06 (CSA 2006) and the American Institute of Steel Construction (AISC 2010) specifications, specify desired conditions for faying surfaces and associated slip coefficients for design purposes. Currently, these standards do not address faying surface conditions that are completely metallized or that have one connected face metallized and the other face galvanized (hereafter referred to as galvanized-metallized faying surfaces), although steel bridge components are widely metallized or galvanized to provide long-term protection against wear and corrosion. This compels steel bridge fabricators to mask off all faying surfaces before metallizing, a practice that is labour-intensive, costly and time-consuming. In this study, the resistance of slip-critical joints in steel bridges with metallized and galvanized-metallized faying surfaces are characterized in the light of the CAN/CSA-S6-06 standard. The mean slip coefficient is determined from a compression and tension test regimes. These tests revealed much greater slip resistance for metallized faying surfaces than the typical uncoated blast-cleaned surface. For the metallized-galvanized surfaces, the mean slip coefficients were found to be much greater than that for galvanized surfaces and, in the majority of cases, also greater than the uncoated blast-cleaned surface. Keywords: steel bridge construction, galvanization, metallization, slip-critical bolted joints, slip resistance, design standards.

L'objectif de cette thèse a été d'explorer la possibilité d'utiliser la charge électrostatique pour améliorer les conditions de contact glissant sec ou lubrifié (deux huiles avec viscosités différentes et de l’eau distillée) entre matériaux polymériques (PP, PE, PS, ABS et deux types de PVC). Trois nouvelles installations expérimentales ont été conçues et réalisées. La première installation est un tribomètre linéaire qui permet le réglage de quatre variables de contrôle du processus de charge (la force normale, la vitesse, la durée et l’amplitude du mouvement de glissement) et la mesure de trois caractéristiques du régime de frottement (la force tangentielle, la variation de la force normale et le déplacement relatif entre les éprouvettes). La deuxième installation est un dispositif pour mesurer la distribution de la charge électrique de surface et la corréler avec des cartographies de température. Une troisième installation est destinée à l'étude de l’influence de la charge électrique sur l’angle de contact de gouttelettes déposées en surface. Les expériences réalisées ont montré que le niveau de la charge généré par frottement sec dépend du temps de frottement, de l’usure, de la pression de contact et de la rugosité des surfaces. Une charge générée par effet triboélectrique ou par décharge couronne peut augmenter le frottement à sec. En revanche, la présence d’une charge électrique à la surface du polymère améliore le frottement lubrifié. Les mesures d’angles de contact ont mis en évidence que celui-ci dépend de la nature du liquide et du polymère étudiés, ainsi que de l’état de charge électrique des échantillons. / The approach undertaken in this thesis is to explore the possibility of using the electrostatic charge to improve the dry or lubricated (two oils with different viscosity and distilled water) sliding contacts between polymeric materials (PP, PE, PS, and ABS, two types of PVC). Three experimental benches were designed and built. The first installation is a linear tribometer designed to study the sliding contacts between solids with dry or lubricated friction. It allows the adjustment to four control variables of the tribocharging process: normal force, sliding speed, time and stroke, and the measurement of three characteristics of the friction regime: the tangential force, the variation of the normal force and the relative displacement between the specimens. The second installation is a device for measuring the distribution of the surface electrical charge, and for correlating it with the temperature mappings. A third installation is designed to study the influence of the electric charge on the contact angle of droplets deposited on the surface. The experiments showed that the level of the charge generated by dry friction depends on the friction time, the wear, the contact pressure and the roughness. A charge generated by friction or by corona discharge can increase dry friction. On the other hand, the presence of electric charge on the surface of polymers can improve a lubricated contact. The contact angle measurements pointed out the influence of the nature of both solid and liquid materials involved in the contact, as well as of the electric charge of the samples.

La plupart des montres mécaniques sont composées d’un échappement à ancre Suisse. Cet organe se situe à la fin du rouage et sert à entretenir et à compter les oscillations du balancier-spiral. Par l’intermédiaire de l’interface ancre / roue d’échappement, il est soumis à des sollicitations parfois extrêmes induisant un rendement faible, d’environ 35%. En outre, le maintien du lubrifiant au contact est délicat et les frottements occasionnés peuvent provoquer une usure prématurée des éléments du système. La première partie de ce travail a consisté au développement d’une démarche d’investigation et de compréhension du fonctionnement du contact entre l’ancre et la roue d’échappement par l’intermédiaire des concepts du triplet et du circuit tribologique. Une visualisation en temps réel du contact, par caméra rapide, a ainsi permis d’obtenir l’évolution de la vitesse réelle des corps en contact. Parallèlement, l’analyse des composants à différents instants de fonctionnement ont conduit à la détermination des débits de 1er et 3ème corps. Par ailleurs, afin de mieux comprendre le comportement tribologique local du contact, un modèle dynamique par éléments finis de l’échappement à ancre Suisse a été développé. A la suite de cette étude, un scénario relatif à la vie du contact a été proposé afin de décrire les différentes phases de fonctionnement de l’échappement. Malgré le rôle clé de la couche de 3ème corps formée pendant le vieillissement par l’activation du débit source, elle génère un débit d’usure qui peut être néfaste pour le mécanisme de montre. Ce résultat amène, par conséquent, à la nécessité de formuler et de réaliser un troisième corps « optimisé ». Dans une seconde partie, une optimisation du comportement de ce 3ème corps a donc été recherchée afin d’atteindre (à terme) une fiabilité à 10 ans et une usure contrôlée. Pour ce faire, deux technologies de lubrification du contact, i.e. fluide et solide, ont été utilisées. La lubrification fluide a été améliorée par texturation des surfaces. La puissance et le nombre de tirs laser ont ainsi été fixés afin de respecter les formes et dimensions des textures imaginées pour le triplet tribologique étudié. Afin de s’affranchir de l’assèchement en lubrifiant fluide du contact au cours du temps, une lubrification solide a été introduite par imprégnation de solides lamellaires et dépôt d’un revêtement « dur » sur la roue d’échappement. Grâce au circuit tribologique et par l’intermédiaire de la création d’un débit source initial et d’un débit d’usure faible, une première optimisation de la couche de 3ème corps formée a été intuité. Une meilleure compréhension du contact entre l’ancre et la roue d’échappement a été apportée. Cette compréhension a permis de passer d’une démarche essais / erreurs existante à une démarche scientifique de proposition de solutions pour l’optimisation du triple / Most of mechanical watches are composed of a Swiss lever escapement. This mechanism is located at the end of the gear train and consist in counting and maintaining the oscillations of the balance wheel. It is subject to extreme solicitations, mostly located at the interface anchor / escapement wheel, inducing a low yield of about 35%. Besides, the difficulty of keeping lubricant within the contact can create wear and induce harmful consequences for the system. The first part of this work involved developing an investigation and understanding approach of the contact between the anchor and the escapement wheel through the concepts of Tribological triplet and circuit. A real-time visualization of the contact, through high-speed camera, succeeded in obtaining the evolution of the real speed of contact bodies. At the same time, components’ observations at different operating times resulted in the evaluation of 1st and 3rd bodies’ flows. Furthermore, in order to understand the local tribological behavior of the contact, a dynamic finite element model of the Swiss lever escapement was developed. Following this study, a scenario of the contact life was proposed in order to outline the different phases of the functioning of the escapement. Despite the key role of the 3rd body layer formed during aging by activating the source flow, it generates a wear rate that can be harmful to the watch mechanism. Therefore, it is necessary to formulate and realize an “optimized” third body. In a second part, an optimization of this 3rd body’s behavior was sought in order to reach a 10-years’ reliability and a stabilized wear. To do this, two lubrication technologies of the contact, i.e. fluid and solid, were used. Fluid lubrication has been improved by surface texturing. The power and the number of laser pulses were determined in order to respect the shapes and dimensions of the textures designed for the studied tribological triplet. To overcome the drying up of lubricant along time, the solid lubrication was investigated by impregnation of lamellar solids and deposition of a “hard” coating on the escapement wheel. Thanks to the Tribological circuit and through the creation of an initial source flow and a low wear flow, a first optimization of the 3rd body’s layer formed has been assumed. A better understanding of the contact between the anchor and the escapement wheel has been provide. This understanding made it possible to go from an existing trial / error approach to a scientific approach for the optimization of the Tribological triplet. A stabilization of the wear and an optimized’s third body were obtained by impregnating a MoS2 solid lubricant on the escapement wheel.t. Une stabilisation de l’usure et un troisième corps « optimisé » ont ainsi été obtenus.

Le développement de nouvelles technologies permettant d’obtenir des procédés de fabrication novateurs, de même que l’utilisation de nouveaux matériaux et lubrifiants, ont rendu possible une amélioration globale de l’efficacité des systèmes mécaniques et la résolution de nombreuses défaillances. Néanmoins, certains types de détérioration comme le grippage restent difficiles à appréhender car ils résultent de nombreux paramètres connexes tels que le régime de lubrification, la température du contact et le coefficient de frottement. Le grippage est un phénomène qui apparait de manière brutale et qui se caractérise par des arrachements et des transferts de matières entre les surfaces en contact pouvant aller jusqu’à la destruction complète du système. Ce dernier est généralement associé à une mauvaise dissipation des calories entrainant des températures de contact élevées. De nombreux critères basés sur la dissipation d’énergie dans le contact ont été établis sans pour autant que l’un d’eux ne soit unanimement reconnu par la communauté scientifique. La première partie de cette étude a consisté à caractériser le comportement en frottement d’un couple matériau-lubrifiant grâce à l’utilisation d’une machine bi-disque. En parallèle, une modélisation thermique de ce banc d’essais a été réalisée en utilisant la méthode des réseaux thermiques. Les corrélations entre les formules analytiques et les mesures expérimentales ont permis d’aboutir à l’établissement d’une loi de frottement liant conditions de contact et température de masse des éprouvettes. Il a aussi pu être démontré que la température de masse des disques pouvait être considérablement différente de la température d’injection du lubrifiant en fonction des conditions opératoires. Ce résultat permet une analyse nouvelle des critères de grippage dont la plupart assimilent la température des éprouvettes à celle d’injection du lubrifiant. Malgré cela, les différents essais de grippage réalisés montrent que l’unique considération de la température de contact pour établir un critère de grippage s’avère insuffisante. / The development of new technologies, which allow innovative manufacturing processes, as well as the use of new materials and lubricants have led to an overall improvement of mechanical systems efficiency and reliability. However some failures, like scuffing, remain difficult to understand since they depend on many related parameters such as the lubrication regime, the contact temperature and the friction coefficient. Scuffing is a critical damage that appears suddenly and which is characterised by local welds and scratches between the sliding surfaces. It can lead to complete destruction of the mechanical system. This phenomenon is in general related to poor heat dissipation and overheating resulting in high contact temperature. Numerous studies were conducted in order to establish a scuffing criterion based on energetic approach. But none of them is unanimously recognized by the scientific community. The first part of this study consisted in characterizing the frictional behaviour of a given couple of lubricant and material thanks to the use of a twin-disc machine. In a second part, a thermal modelling of this test bench has been realised using the thermal network methodology. Correlations between analytical formulas and experimental measurements allowed to establish a friction law relating contact conditions and disc bulk temperature. It has also been demonstrated that the disc bulk temperature could be considerably different from the lubricant injection temperature depending on the operating conditions. This result allows a new interpretation of existing scuffing criteria, which for most of them consider the disc temperature to equal the oil temperature. Despite this analysis, the scuffing experiments performed reveal that accounting solely for the contact temperature is not sufficient to establish a reliable scuffing criterion.

Lors d'une opération d'usinage, l'intégrité de la surface usinée et l’optimisation du procédé sont conditionnées par les paramètres de coupe (vitesses de coupe et d’avance, géométrie et matériau de l'outil...). Certaines conditions de coupe peuvent induire des effets indésirables tels que des vibrations importantes, des efforts de coupe excessifs et une usure prématurée de l'outil, conduisant à des qualités de surfaces médiocres. Dans l’industrie, l’utilisation d'approches empiriques pour opérer ce choix se révèle couteux et difficilement exploitable. Le développement d’outils de simulation basés sur des modèles prédictifs s’avère nécessaire. Ces modèles permettent de maitriser et de comprendre les phénomènes thermomécaniques aux interfaces outil-copeau et outil-pièce qui conditionnent l'intégrité de la surface usinée ainsi que la durée de vie de l'outil de coupe. L'objectif de la thèse est la modélisation des effets thermomécaniques en usinage avec des approches hybrides 'Analytique-c. Ceci permet d'analyser l'interaction entre les conditions de coupe du procédé d'usinage, le comportement du matériau et les conditions tribologiques aux interfaces outil-copeau et outil-pièce (contact collant-glissant, partage de la source de chaleur due au frottement). Le travail comporte également une validation expérimentale pour la coupe orthogonale à sec. Le modèle proposé est basé sur les développements suivants: (i) mise en place d'une 'Approche 1D par Tranche' pour la prise en compte de l'écoulement de la matière dans la zone primaire de cisaillement du copeau, (ii) modélisation du problème thermique transitoire non linéaire dans le système 'copeau-outil-pièce' en couplant une formulation EF de type Petrov-Galerkin avec la méthode de Newton-Raphson et une intégration implicite dans le temps, (iii) une nouvelle formulation de la distribution de pression le long de la face de coupe de l'outil, (iv) une nouvelle approche pour gérer le partage de la source de chaleur par friction à l'interface outil-copeau. La démarche proposée permet de mettre en place une modélisation thermomécanique de l'interaction outil-matière applicable aux procédés industriels comme le perçage très utilisé dans le domaine aéronautique. Comparée aux simulations basées sur la méthode des Éléments Finis, l'approche développée requiert un temps de calcul de l'ordre de quelques minutes avec une précision comparable / In dry machining, the thermomechanical process of chip formation, the tool wear and the surface integrity depend strongly on the tribological conditions along the tool rake face. Besides, the friction conditions at the tool-chip interface and along the round cutting edge are very complex. It should be noted that to understand the friction effects in machining, we have to analyse the inherent relationship among, the cutting conditions (cutting and feed velocities, tool geometry), the workpiece material behaviour, the thermomechanical characteristics of the tool material, the frictional heat partition in the sliding zone and the friction conditions at the tool-chip and tool-workpiece interfaces. Due to the problem complexity, it appears that despite many works on machining, the understanding of the effect of friction conditions requires further investigations. In the present work, to identify the interaction between the thermomechanical phenomena at the tool-chip interface and the material flow in the primary shear zone; an analytical model has been coupled with a finite element approach. For the tool rake face, a new pressure model was developed. The transient nonlinear thermal problem in the workpiece-tool-chip system has been solved by using a FE model based on the Petrov-Galerkin formulation. The coupling between the primary shear zone (PSZ) (chip formation), the secondary shear zone (SSZ) (sticking zone) and the frictional heat at the sliding zone has been taking into account. The model allows to determine in a fast and simple way several significant machining parameters as: (i) the cutting forces, (ii) the temperature distribution in the tool-chip-workpiece system, (iii) the heat flux from the PSZ to the workpiece, (iv) the tool-chip contact length, (v) the frictional heat partition and (vi) the apparent friction coefficient. The proposed model allows to analyze different industrial machining processes such as drilling and milling

Les amines grasses sont présentes dans la formulation de lubrifiants automobiles, en tant que modificateurs de frottement organiques (MFO), afin d'atténuer les effets négatifs entraînés par le frottement et l'usure induits au sein des pièces sujettes aux conditions limites (c'est-à-dire, sous haute pression et basse vitesse de glissement). Outre leurs propriétés de lubrification, ces additifs présentent l'avantage d'être compatibles avec les systèmes de dépollution des gaz d'échappement, puisque leur composition organique est exempte d'éléments nocifs, tels que le soufre, le phosphore et certains métaux. Ainsi, un protocole de calcul en dynamique moléculaire classique a été mis en place et utilisé pour étudier, à l'échelle moléculaire, les propriétés des surfactants. En particulier, trois mécanismes d'action ont été considérés, à savoir : leur diffusion dans un milieu liquide, leur adsorption sur des substrats solides, et leur comportement en frottement. Dans ce contexte, différents facteurs associés à la structure des constituants des lubrifiants ont été analysés, notamment leur effet sur la performance des MFO. Les simulations révèlent que : (i) Diffusion – le coefficient de diffusion des composés aminés sont considérablement impactées par les caractéristiques de l'huile de base (exemple: leur polarité et masse moléculaire), sachant que les modèles de solvant les plus polaires et les plus lourds provoquent le ralentissement du flux diffusif des MFO ; par ailleurs, la structure des additifs jouent également un rôle dans leur diffusion, où les molécules les plus petites et les moins polaires s'avèrent relativement les plus mobiles. (ii) Adsorption – les amines primaires réagissent chimiquement avec une surface d'oxyde de fer, en formant des monocouches auto-assemblées, dont l'organisation et l'épaisseur augmentent avec leur taux de recouvrement. (iii) Frottement – les films adsorbés contenant d'amines constituées d'une chaîne hydrocarbonée C18 linéaire et saturée sont capables de réduire le frottement d'un système modèle représentant un nano-contact en régime limite ; en plus, leur efficacité dépend de la microstructure développée par les amines adsorbées sur les substrats sous compression et cisaillement ; d'ailleurs, les films permettant la formation de(s) plan(s) de glissement bien défini(s) entre les molécules organiques confinées sont davantage disposés à diminuer la résistance de glissement. Par conséquent, ces études ont permis de confirmer l'intérêt de l'apport d'une approche numérique complémentaire aux techniques expérimentales dans le but de comprendre les phénomènes élémentaires des systèmes tribologiques. / Fatty amines and their derivatives are employed as organic friction modifiers (OFM) in lubricant oils in order to mitigate the negative effects of friction and wear, both induced by the moving and rubbing components of an internal combustion engine that are subjected to boundary lubrication conditions (i.e., high contact pressure and low sliding velocity). In addition to their tribological performance, these additives exhibit the benefit of being compatible with exhaust aftertreatment systems that equip the current light-duty vehicles, owing to their sulfur- and phosphorus-free chemical composition. For these reasons, we have developed a computational protocol, composed of equilibrium and non-equilibrium (classical) molecular dynamics simulations, in order to gain a deeper understanding into their mechanisms of action at nanoscale, and in particular into their diffusion, adsorption and friction behaviors. In this context, the influence of different molecular structure factors – related to lubricant constituents – on OFM working performance were investigated. The obtained results have shown that: (i) Diffusion – OFM diffusivity is substantially affected by the base oil structure and chemistry (e.g., polarity and molar mass), where solvents with relatively larger and higher polar groups tend to slow down their diffusive rate; besides, the OFM dynamics in liquid phase is also impacted by their own composition, being the molecules with relatively smaller and less polar structure the most mobile additives. (ii) Adsorption – primary alkyl amines do chemisorb onto iron-oxide substrates, thereby forming molecular films whose packing order and thickness increase with increasing surface coverage. (iii) Friction – adsorbed layers containing primary amines with linear, saturated, C18 hydrocarbon tails are able to reduce friction in a single-asperity, boundary nano-contact model, where their efficiency is dependent on their molecular ordering under confinement and shear; in addition, the organic films allowing the formation of well-defined slippage interface(s) with little molecular interdigitation are more prone to diminish the sliding resistance of solid substrates in relative motion.Therefore, those findings are expected to foster the exploration and development of computational simulation approaches, as a complement of experimental techniques, to investigate the fundamental phenomena present in tribological-relevant engineering systems.