Nous modélisons la diffusion des atomes interstitiels (C et O) dans des solutions solides (Fe-Cr et Nb-V) et comparons nos résultats aux données expérimentales disponibles dans la littérature. Un ensemble d’énergies de liaisons entre interstitiels et solutés substitutionnels, et de barrières de migration des interstitiels, ont d’abord été calculés en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité. Des modèles d’interactions de paires ont ensuite été ajustés sur ces données pour calculer les barrières de migration dans n’importe quel environnement chimique local. Ces modèles de paires sont enfin intégrés dans des simulations Monte Carlo cinétiques, afin de modéliser des expériences de diffusion de traceur et de frottement interne. Dans les alliages Fe-Cr-C, les simulations prévoient la formation d’un pic de Snoek unique, dans tout le domaine de composition entre le fer pur et le chrome pur. La barrière de migration moyenne du carbone, donnée par la température de ce pic, augmente progressivement avec la teneur en chrome, l’augmentation étant très faible en dessous de 6% de Cr. Dans les alliages riches en Cr, la barrière de migration moyenne obtenue lors d’une simulation de diffusion de traceur est plus grande que celle obtenue lors d’une simulation de frottement interne. Nous en concluons que la barrière mesurée lors d’une expérience de diffusion de traceur est fortement affectée par le piégeage du carbone dans des environnements riches en fer, qui limite la diffusion à grande distance ; alors que la barrière mesurée par friction interne, qui ne nécessite qu’une diffusion à courte distance, est principalement contrôlée par les barrières de migration des configurations les plus probables. Dans les alliages Nb-V-O dilués, les simulations font apparaitre un pic de Snoek à haute température lorsque la concentration en oxygène est plus faible que celle en vanadium. Quand la concentration en oxygène devient plus importante, un deuxième pic apparait à plus basse température, tandis que le premier pic se déplace vers des températures plus petites. Nous en concluons que le pic à haute température correspond à des paires V-O, et que celui à basse température correspond à la diffusion de l’oxygène dans le niobium pur. Les simulations sont utilisées pour tester le modèle de Koiwa, dans la limite de l’alliage ternaire infiniment dilué. Les deux approches sont en bon accord et nous montrons que la position du pic à haute température n’est pas reliée à une fréquence de saut unique, mais à une fonction complexe de plusieurs fréquences de sauts. Nous présentons enfin les résultats d’une étude préliminaire sur l’effet du carbone sur les cinétiques de séparation de phases dans les alliages fer-chrome irradiés. Nous montrons que la forte attraction entre atomes de carbone et défauts d’irradiation (auto-interstitiels et surtout lacunes) peut dans certaines conditions limiter l’accélération de la précipitation du chrome habituellement provoquée par l’irradiation. / The diffusion of interstitial atoms (C and O) in bcc solid solutions (Fe-Cr and Nb-V) is modelled and compared to experimental data. A set of binding energies and migration barriers for the direct interstitial diffusion mechanism in different local chemical environments are first calculated using Density Functional Theory. Two different pair interaction models are developed in order to reproduce these data and predict the migration barriers in all possible environments. The diffusion models are then implemented in a kinetic Monte Carlo method to simulate tracer diffusion experiments, using a standard procedure, and internal friction experiments, using a novel method. In the Fe-Cr-C systems our internal friction simulations show a unique Snoek peak in the whole concentration range, between pure iron and pure chromium. The average migration enthalpy for C diffusion in Fe-Cr alloys is found to increase progressively with the Cr concentration, with a small rate below 6 %Cr. In Cr-rich alloys, the effective migration barrier for C diffusion is found to be larger in tracer diffusion than in the internal friction simulations. We conclude that the effective migration barrier extracted from tracer diffusion is closely related to trapping effects of C atoms in Fe-rich local environments, whereas the migration barrier associated with internal friction is mainly controlled by the spectrum of migration barriers of the most frequent configurations, as it is clearly shown in the Cr-rich domain. In the dilute Nb-V-O alloys, we find a high temperature Snoek peak when the concentration of oxygen is lower than the vanadium content. But when the oxygen concentration is higher, we see the appearance of a second peak but at a lower temperature and a shift of the first peak to lower temperatures. We conclude that the high temperature peaks correspond to the oxygen-vanadium pairs, and the low temperature peak corresponds to the oxygen Snoek peak in pure Nb. We also use our model in order to validate the Koiwa model in infinitely dilute ternary alloys. Both approaches are in good agreement and we observe that the high temperature peak cannot be directly related to a single jump frequency but to a complex function of them. We also show preliminary results on the effect of C in the precipitation of the Fe-Cr phase separation under irradiation. We observee that a strong attraction between carbon atoms and point defects (vacancies and self-interstitials) might be able to slow down the acceleration of the α’ precipitation.

La dynamique des structures assemblées est un sujet de recherche actuel. En particulier, une prédiction correcte de l'amortissement apporté par les liaisons vissés est devenu une condition essentiel pour un certain nombre d'applications, comme par exemple les avions et les véhicules spatiaux. En effet, pour ces applications, l’utilisation de matériaux avec un coefficient d'amortissement plus élevée, comme des matériaux visco-élastiques, est limité par les conditions de fonctionnement.Ces travaux apportent deux contributions principales. La première porte sur la phase de conception et modélisation, avec la création d'un système de connecteurs pour la reproduction des comportements normal et tangentiel d'une liaisons vissée. Cela est accomplie en considérant seulement les données physiques de la liaison et des surfaces en contact.La deuxième contribution concerne l’évaluation des propriétés dynamiques non-linéaires des assemblages. Un set d'outils de post-traitement utilisant le filtre de Kalman est développé pour réaliser une analyse modale non-linéaire pour les types d'essais les plus communs: les essais aux chocs, les essais en balayage sinus, et les essais en sinus aléatoire.Les méthodes développées ont été appliqués et évaluées sur une structure boulonnée réel, en soulignant les avantages et les inconvénients. Notamment, le filtre de Kalman permet une meilleure précision sur les paramétrés identifiés, mais le procédé d’initialisation du filtre est le problème principal. Une automatisation partiel de l’initialisation est prévu, ainsi que des conseils pratiques grâce à l’expérience acquise sur le sujet. / Bolted structures dynamics is an ongoing research topic. In particular, a correct prediction of the damping provided by bolted joints has became an essential requirement for a certain number of applications, such as aircrafts and space vehicles. In fact, for these applications, the use of materials with higher damping coefficients is limited by environmental conditions.This work provides two main contributions. The first one concerns the design and modeling phase, with the creation of a finite element connectors' system, that reproduces the bolted joint normal and tangential behaviors. The latter is accomplished only by taking into account readily available physical data, such as the bolted joint dimensions and the properties of the surfaces in contact. The second contribution regards the evaluation of assembled structures' nonlinear dynamic properties. A set of post-processing tools making use of the Kalman filter is developed to perform a nonlinear modal analysis for the most common types of experimental tests: impact hammer tests, sweep sine tests, and random vibration tests.The developed methods are then applied and evaluated on a real bolted structure, pointing out advantages and drawbacks. In particular, the Kalman filter allows for a higher accuracy in the determination of modal parameters, but the filter initialization is the main problem. A partial automation of the initialization task is provided, together with practical tips thanks to the experience gained on the subject.

Les surfaces texturées sont devenues, ces dernières années, des substrats de choix pour de nombreuses applications. En effet, la texturation des surfaces, de l'échelle nanométrique à l'échelle microscopique, permet d'accroître les propriétés d'adhérence ou de renforcer la résistance mécanique intrinsèque. Dans ce travail de thèse nous proposons une étude sur l'influence des textures chimiques sur le comportement tribologique, adhésif et sur la mouillabilité des substrats. Dans le premier chapitre, on propose une stratégie de micro-texturation des surfaces basées sur la technique de microcontact-printing et le greffage de chaînes de polymères de géométries/formes contrôlées. En outre, on a notamment étudié de manière approfondie la mouillabilité des surfaces texturées afin de comprendre les effets de diminution de taille des textures sur le comportement adhésif. Dans les expériences d'adhésion et frottement, un dispositif de type JKR (pour Johnson, Kendall et Roberts), une machine de frottement et une FFM ont été utilisés permettant d'observer le contact entre une sphère élastique et une pointe rigide avec un plan texturé tout en contrôlant la force entre les surfaces. En outre l'utilisation de ces différentes approches ne nous a pas finalement donné des explications satisfaisantes sur les mécanismes agissant sur les phénomènes interfaciaux. De ce fait, l'utilisation du démouillage de films minces de PS et de PDMS sur des surfaces texturées nous as permis de suivre l'évolution de l'instabilité du bourrelet à l'interface. Enfin, dans le dernier chapitre, nous avons étudier les différents aspects prédominants des phénomènes interfaciaux sur des surfaces homogènes / Micro and Nanoscale surface patterns are considered as potential templates and building blocks for Micro/nanotechnology. As for materials in general, these micro /nano-scale surface structures have been of increasing research interest in recent years, due to their unique properties. They are expected to exhibit novel and significantly improved physical, chemical, mechanical and other properties, as well as to offer opportunities for manifestation of new phenomena and processes. In the present PhD work, we propose a multiple scale analysis of the adhesion, friction and wetting behaviors for different patterned interfaces. In a first chapter, we developed a general methodology to design well-defined surfaces combining micro-contact printing (µCP), self-assembled monolayers (SAMs) and polymer grafting techniques. Then we study the wettability of a patterned solid surface. Where, the stick-slip regime, and the effect of the patterning at the mesoscale was investigated. Furthermore, we concentrate on the dependence of adhesion and friction between a polymer and a rigid tip on the composition of the patterned substrates using a JKR, FFM and friction machines. Intriguingly, the uses of these approaches did not provide us with a clear answer to our bewilderment. Therefore, in the third chapter, we adopted the approach of the dewetting of thin polymer film on top of patterned surfaces. We study the impact of the solid/liquid boundary condition on the evolution of the rim instability during the course of dewetting. The last chapter details the investigation of the predominant aspect between the chemistry introduced on the surface and the mechanical proprieties of the substrate

Réduire l’énergie générée par le frottement et dissipée dans les systèmes mécaniques réels est un des challenges actuels en tribologie. Ce point représente une importance toute particulière dans le domaine des transports terrestres. En réponse à cette nécessité, les constructeurs automobiles se concentrent sur la réduction de la consommation d'énergie en sélectionnant des lubrifiants et des matériaux appropriés d'une part et les systèmes mécaniques performants d'autre part. Grâce à leurs propriétés physiques et tribologiques en termes de réduction de la friction et de l'usure, les couches minces de DLC (Diamond-like Carbon) sont considérées comme l'une des solutions. Le comportement tribologique de couches minces de ta-C (carbone amorphe très dur dépourvu d’hydrogène) et de a-C:H (carbone amorphe hydrogéné) est ici exploré. D’autre part, des “lubrifiants verts“ et des additifs participant aussi à la réduction du frottement et de l'usure sont testés. Ces essais sont effectués dans différentes conditions en utilisant une nouvelle méthodologie expérimentale. Le tribomètre dynamique oscillant développé au LTDS possède la capacité de quantifier avec une très grande précision et sans recourir à une quelconque mesure de force, des niveaux de frottement faibles (dans la gamme 10 – 5 à 10 – 2), et permet en plus d’identifier différentes contributions du frottement. Dans un premier temps, une loi de frottement linéaire a été utilisée afin d’évaluer deux contributions de frottement. La première, μ0 est le coefficient transitoire de frottement quand la vitesse s’annule au changement de direction (du type frottement de Coulomb). La seconde, μ1, est une contribution dépendante de la vitesse de glissement. Ensuite, une étude numérique a été réalisée en appliquant une loi de frottement quadratique afin de mieux comprendre l'aspect dynamique des réponses libres. Cela nous a permis d'étudier numériquement la décroissance d’amplitude des oscillations déterminée grâce à la méthode de moindres carrés. Nous nous intéressons aussi à l‘étude des formes de l'enveloppe de ces oscillations en relation avec le modèle de frottement. Les résultats numériques et expérimentaux pour les lois de frottement linéaire et quadratique sont ensuite comparés. En complément, nous avons mesuré la force tangentielle correspondant aux tribosystèmes testés. Finalement, nous avons étudié numériquement un système dynamique masse-ressort à un degré de liberté, modélisé par la loi de frottement LuGre. Cette loi est décrite par le phénomène d’hystérésis et l’effet de décalage de temps qui ont été détectés expérimentalement. Les résultats expérimentaux obtenus avec le tribomètre oscillant montrent qu'ils sont qualitativement comparables à ceux obtenus en configuration classique cylindre-plan, travaillant à vitesse de glissement constante. Dans tous les cas, les résultats montrent la supériorité du tribosystème ta-C/ta-C dans la réduction du frottement μ0. De plus, les résultats numériques et expérimentaux sont cohérents. Cette étude montre qu’une loi de frottement quadratique est capable de décrire correctement toutes les formes d’enveloppes obtenues expérimentalement : droite, convexe, concave et une combinaison des formes convexe et concave. / Controlling friction is a one of the most significant challenges in the field of tribology. Its major purpose is directed towards the reduction of energy in real mechanical systems, especially in the area of transportation. In response to this necessity, the automobile industries are emphasizing on minimizing the consumption of energy by selecting the appropriate lubricants and materials on one hand and mechanical system with high performance on the other hand. DLC (Diamond-like carbon) coated surfaces are considered one of the solutions thanks to their physical and tribological properties in reducing friction and wear. In this study, we have been interested in investigating the friction behavior of both amorphous hydrogenated (a-C:H) and hydrogen-free tetrahedral amorphous carbon (ta-C) DLC coatings. Furthermore, some “green lubricants” and additives are tested which play a role in reducing friction and wear. These latter tests are performed at different operating conditions using a new experimental methodology, known as the dynamic oscillating tribometer. This original tribometer, developed at the Laboratory of Tribology and System Dynamics (LTDS), is able to measure the oscillatory motion corresponding to various tribosystems having low friction. This technique has the ability to quantify with remarkable precision and without any force transducer, low friction values (in the range of 10 – 5 to 10 – 2 ) and also to evaluate different friction contributions from the displacement and velocity-time responses of a mass-springdamper oscillating system. First, a linear friction law has been used for the systems tested in order to calculate two contributions of friction. The first one, μ0 is the transient friction coefficient at zero speed and the second one (Coulomb-type fiction), μ is a velocitydependent friction coefficient. Then, a numerical study is carried out in order to better understand the dynamic aspect of the oscillatory vibratory free responses. A quadratic friction law is used to model on the mechanical system of the apparatus. This allows us to study numerically the behavior of the decreasing amplitudes of the damping responses which are determined using the Averaging method. Furthermore, we are interested in studying the various forms of these oscillations’ envelop in relation with the polynomial expansion of the friction model. Also, numerical and experimental results are compared using both the linear and quadratic friction models. In addition, a particular attention is given to the measured tangential forces corresponding to our tribosystems. Finally, we study numerically a damped mass-spring single degree-of-freedom mechanical system, induced by LuGre friction law described by both hysteresis and lag effect which have been detected experimentally. Results show that friction tests performed with the oscillating tribometer can be qualitatively compared to those obtained with a conventional tribometer. Moreover, ta-C/ta-C surfaces reveal the lowest friction μ0 when tested by both oscillating and reciprocating tribometers. Also, both numerical and experimental results are found to be of good agreement. This study shows that a quadratic friction law is able to describe correctly the envelopes observed in our experimental tests: straight, convex, concave and a combination of both convex and concave.

On s'intéresse à la résolution numérique de problèmes de contact et de fissuration en dynamique. Le problème de contact envisagé est le problème de Signorini avec ou sans frottement de Coulomb. Quant au problème de fissuration, il s'agit d'un modèle de zone cohésive avec trajet de fissuration pré-défini. Ces problèmes se caractérisent par la présence d'une condition aux limites non-régulière et se formulent comme des inéquations variationnelles d'évolution ou des inclusions différentielles. Pour les résoudre numériquement, nous combinons, comme il est courant en dynamique des solides, une discrétisation en espace par éléments finis et des schémas d'intégration en temps (de types différences finies). Pour le problème de contact, nous commençons par comparer les principales méthodes proposées dans la littérature. Nous étudions ensuite plus particulièrement la méthode dite de masse modifiée récemment introduite par H. Khenous, P. Laborde et Y. Renard. Nous en proposons une variante semi-explicite. Par ailleurs, nous prouvons un résultat de convergence des solutions semi-discrètes en espace vers une solution continue dans le cas d'un problème de Signorini sans frottement et d'un matériau viscoélastique. Nous analysons également les methodes semi-discrètes en espace et totalement discrètes dans le cas d'un problème de Signorini avec frottement de Coulomb. Pour le problème de fissuration dynamique, la non-régularité de la condition aux limites rend impossible ou peu robuste l'utilisation de schémas totalement explicites. Nous proposons donc des schémas où cette condition aux limites est traitée de façon implicite. Enfin, nous présentons et analysons des méthodes de lagrangien augmenté pour la résolution numérique du problème de fissuration en statique / The present work deals with the numerical solution of dynamic contact and fracture problems. The contact problem is a Signorini problem with or without Coulomb friction. The fracture problem uses a cohesive zone model with a prescribed crack path. These problems are characterized by a non-regular boundary condition and can be formulated with evolutionary variational inequations or differential inclusions. For the numerical solution, we combine, as usual in solid dynamics, a finite element discretization in space and time-integration schemes. For the contact problem, we begin by comparing the main methods proposed in the literature. We then focus on the so-called modified mass method recently introduced by H. Khenous, P. Laborde et Y. Renard, for which we propose a semi-explicit variant. In addition, we prove a convergence result of the space semi-discrete solutions to a continuous solution in the frictionless viscoelastic case. We also analyze the space semi-discrete and fully discrete problems in the friction Coulomb case. For the dynamic fracture problem, using a fully explicit scheme is impossible or not robust enough. Therefore, we propose time-integration schemes where the boundary condition is treated in an implicit way. Finally, we present and analyze augmented Lagrangian methods for static fracture problems

La dégénérescence articulaire sévère de la hanche est une pathologie fréquente et son traitement ultime est le remplacement prothétique. L’arthroplastie la plus répandue au monde est la prothèse totale de hanche (PTH) avec un couple de frottement métal-sur-polyéthylène (MPE). Cependant ce type d’intervention présente une longévité limitée à cause de l’usure de PE et ne convient pas aux patients actifs souffrant de coxarthrose sévère tôt dans leur vie. Afin de palier à ce problème, une nouvelle génération de surfaces de frottement métal-sur-métal (MM) est actuellement employée. Ces surfaces de frottement sont utilisées en PTH avec tête de 28 mm, en resurfaçage (RH) et avec la PTH à tête de grand diamètre. Alors qu’il y a beaucoup d’évidence à l’égard du bon fonctionnement des implants PTH 28 mm et du RH, les données quant aux performances in vivo des PTH MM à grand diamètre manquent. Malgré cela, ces implants sont utilisés à grande échelle. Dans un premier temps, l’objectif de ce travail de recherche était d’évaluer l’effet et de comparer les taux d’ions chrome (Cr) et cobalt (Co) chez des sujets porteurs de PTH MM à grand diamètre à ceux de 64 porteurs de RH, tous deux possédant des surfaces de frottement aux propriétés tribologiques identiques. Dans un deuxième temps, nous avons comparé les taux ioniques (Cr, Co et titane (Ti)) entre quatre PTH MM à grand diamètre provenant de fabricants différents (Zimmer, DePuy, Smith & Nephew et Biomet). Les mesures d’ions étaient effectuées dans le sang entier dans un laboratoire indépendant par la technique de spectrophotométrie de masse à haute résolution HR-ICP-MS, pour l’ensemble de ce travail de recherche. Les deux comparaisons ont démontré le rôle crucial joué par la modularité au niveau de la jonction tête-col des PTH MM à grand diamètre. En effet, des écarts considérables dans les concentrations ioniques de Co ont été retrouvés entre les RH et PTH Durom ayant un couple de frottement identique, ainsi qu’entre les 4 différents designs de PTH MM à grand diamètre comparés entre eux. La PTH MM à grand diamètre Durom était la moins favorable alors que celle de Biomet était la plus performante. Nos observations démontrent que des sources inattendues comme la jonction tête-col de certains implants PTH MM à grand diamètre peuvent contribuer au relargage ionique systémique. Une meilleure compréhension de ce phénomène est indispensable avant l’utilisation clinque de nouveaux implants de ce type. / The treatment for advanced degenerative hip disease consists in replacing the native joint with artificial implants. This is a very common procedure and the type of arthroplasty most practiced worldwide is metal-on-polyethylene (MOPE) total hip replacement (THR). However, this type of bearing has limited lifespan and is not adapted for active patients struggling with hip osteoarthritis early in their lives. In order to increase implant longevity, new generation, metal-on–metal (MOM) bearing surfaces is used nowadays in this particular population. These MOM bearings are used in 28 mm THR, in resurfacing hip arthroplasty (RH) and in large diameter head THR. Although consistent results have been obtained with the 28 mm THR and RH, large diameter head THR are increasingly used despite lack of scientific data about their performances. The main purpose of our first paper was to compare chromium (Cr) and cobalt (Co) concentrations among patients implanted with large diameter head THR and with RH. In this case, both bearing surfaces presented identical tribological properties. In the second paper, we compared performances in terms of ion release (Cr, Co and titanium (Ti)) from four different manufacturers of large diameter head THR systems (Zimmer, DePuy, Smith & Nephew and Biomet). Whole blood was used for all samples and ion measurements were conducted by an independent laboratory in a blinded fashion, using high-resolution inductive coupled plasma mass spectrophotometry (HR-ICP-MS). Both papers have emphasized the crucial role played by modularity at the head-neck junction in metal ion release from large diameter THR MOM bearings. In fact, significant differences were found in Co ion concentration between large head THR and HRA as well as among the different designs of large head THRs. Briefly, the Durom large head THR system was the least favorable implant while the Biomet large head THR system showed the best results. Our results prove that systemic ion release might origin from surprising sources such as modularity at the head-neck junction in patients implanted with certain large head MOM THR systems. A better comprehension of head-neck junction biomechanics is necessary before clinical use of such new devices.

Le protocole pour le greffage irréversible du copolymère amphiphile polystyrène-b-poly (acrylate de sodium) PS-b-PANa, sur un substrat de mica et de silice hydrophobe a été développé, en utilisant la méthode de greffage à partir de solution. Les propriétés de surface du bloc chargé ont été évaluées. L’effet de la force ionique sur le gonflement des chaînes a été investigué par ellipsométrie. Les forces d’interaction entre les surfaces recouvertes du copolymère ont été évaluées par la technique SFA. Les profils de force ont démontré être stables et nettement répulsifs en compression et décompression, montrant l’irréversibilité du greffage. Les forces de frottement entre les brosses de PANa sont élevées, mais aucune évidence d’endommagement de la surface n’a été observée. La comparaison entre le comportement à la surface des chaînes de l’acide polyacrylique PAA et celles du PANa, obtenues par deux méthodes de greffage différentes, est également investiguée. / A protocol for irreversibly grafting of amphiphilic copolymer polystyrene-b-poly (sodium acrylate) PS-b-PANa onto hydrophobized mica and silica was developed, using the grafting to approach. Surface properties of charge block were evaluated. The swelling of chains and force ionic effect were studied by ellipsometry. The interaction forces and frictional forces were evaluated by SFA technique. Forces profiles were stable and clearly repulsive in loading and receding, indicating an irreversible grafting. High friction forces onto PANa brushes were determinate without evidence of damage at the surface. The comparison between solution behavior of polyacrylic acid, PAA and PANa brushes, obtained via different grafting methods, was equally investigated.

Grâce à ses propriétés d’antioxydant, d’anti-usure et éventuellement d’extrême pression le dithiophosphate de zinc (ZDDP) fait partie des additifs les plus utilisés dans les lubrifiants pour moteurs thermiques. De nos jours, dans un souci de respect de l’environnement, de nouveaux lubrifiants possédant de bonnes performances en lubrification (frottement faible et usure limitée) sont développés en prenant compte des limitations d’utilisations actuelles du ZDDP. L’idée étant de réduire dans ceux-ci les teneurs en phosphore et soufre (Normes euros VI), éléments essentiels du ZDDP qui endommagent les pots catalytiques. L’objectif de cette thèse est l’étude du comportement tribologique du phosphate de zinc di alkyl (ZP) en comparaison avec le ZDDP. La méthodologie expérimentale étudiée pour comprendre le mécanisme d’action de ces additifs, associe des essais de frottement à descaractérisations physico-chimiques des surfaces frottantes après essais.Cette comparaison a été effectuée en fonction de la température (25°C et 100°C), la vitesse de glissement (25, 50 et 100 mm/s) et la concentration en additif (200 et 600 ppm dephosphore). Les meilleures actions anti-usure sont obtenues avec le ZDDP pour une température de 100°C et une vitesse de glissement de 100 mm/s et le ZP pour une température de 25°C et une vitesse de glissement de 25 mm/s. Les analyses de surface XPS, AES, XANES et MET-EDX ont permis de mettre en évidence la présence d’un film protecteur constitué principalement de phosphate de zinc, ceci pour les deux additifs.Une synergie de comportement tribologique a été mise en évidence avec un lubrifiantconstitué de ZP (usure faible) et d’oléate d’urée (frottement faible). Des essais complémentaires sur un tribomètre dynamique ont permis d’étudier le niveau de frottement du tribofilm formé à partir du ZDDP. Le caractère visqueux du tribofilm de ZDDP a été mis en évidence. / Thanks to its antioxidant, anti-wear and extreme pressure properties, zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP) is nowadays the most used anti-wear additives in engine oil. Due to environmental protection concerns, new lubricants with good tribological performances (low friction and low wear) are developed. This research aims to evaluate the current limitations of ZDDP and to find alternative environmentally friendly solutions. Thus, the target is to reduce the quantity of phosphorus and sulphur in lubricants, two essential elements of ZDDP molecule that damage catalytic. The objective of this thesis is to study tribological behavior of zinc phosphate di alkyl (ZP) in comparison to ZDDP. The experimental method performed is the coupling of friction test with surface physico-chemical characterisation of rubbing surface after tests.This comparison carried out according to the temperature (25°C and 100°C), the sliding speed (25, 50, 100 mm/s) and additives concentrations (200 and 600 ppm). The best anti-wear efficiency is obtained with the ZDDP additive at 100°C - 100 mm/s and with the ZP at 25°C - 25 mm/s. For both additives and under these conditions, tribofilms are mainly made of zinc phosphate.A tribological synergy are obtained with a lubricant contained ZP (low wear) and oleyl urea (low friction). Complementary tests were made on a original dynamic tribometer for a better understanding of ZDDP tribofilm friction behavior. The viscous character of ZDDP tribofilm was obtained.

Ce travail de thèse concerne la mécanique numérique du contact entre solides déformables. Il s'agit de contribuer à l'amélioration de la performance, de la fiabilité et de la robustesse des algorithmes et des modèles numériques utilisés dans les codes éléments finis en particulier Code_Aster qui est un code libre développé par Électricité De France (EDF) pour ses besoins en ingénierie. L'objectif final est de traiter les problèmes industriels de grande dimension avec un temps de calcul optimisé. Pour parvenir à ces objectifs, les algorithmes et formulations doivent prendre en compte les difficultés liées à la mécanique non régulière à cause des lois de Signorini-Coulomb ainsi que la gestion des non linéarités dûes aux grandes déformations et aux comportements des matériaux étudiés.Le premier axe de ce travail est dédié à une meilleure compréhension de la formulation dite de « Lagrangien stabilisé » initialement implémentée dans le code. Il a été démontré l'équivalence entre cette formulation et la formulation bien connue de « Lagrangien augmenté ». Les caractéristiques mathématiques liées aux opérateurs discrets ont été précisées et une écriture énergétique globale a été trouvée. / This work deals with computational contact mechanics between deformable solids. The aim of this work is to improve the performance, the reliability and the robustness of the algorithms and numerical models set in Code_Aster which is finite element code developped by Électricité De France (EDF) for its engineering needs. The proposed algorithms are used to solve high dimensional industrial problems in order to optimize the computational running times. Several solutions techniques are available in the field of computational contact mechanics but they must take into account the difficulties coming from non-smooth aspects due to Signorini-Coulomb laws coupled to large deformations of bodies and material non linearities. Firstly the augmented Lagrangian formulation so-called « stabilized Lagrangian » is introduced. Successively, the mathematical properties of the discrete operators are highlighted and furthermore a novel energetic function is presented. Secondly the kinematical condition with regard to the normal unknowns are reinforced through unconstrained optimization techniques which result to a novel formulation which is so-called « non standard augmented Lagrangian formulation ». Three types of strategies are implemented in the code. The generalized Newton method is developped : it is a method in which all the non linearities are solved in one loop of iterations. The partial Newton method is an hybrid technique between the generalized Newton one and a fixed point method.

L’augmentation de la vitesse ferroviaire impose l’amélioration des performances de freinage liés aux matériaux de friction utilisés dans les freins à disques et à semelles. Cependant, l'usure reste un point limitant en terme de performance mais aussi de sécurité. Elle a pour conséquence de détériorer les matériaux (aspects mécano-thermiques) mais aussi de contaminer le contact entre roue et rail par des particules de semelles de frein pouvant isoler électriquement celui-ci (aspects mécano-électriques). Le procédé permettant de localiser les trains, ayant pour principe la conduction électrique entre roue et rail, est alors compromis.Ces problématiques sont gouvernées par les différents contacts (roue/rail, roue/semelle, ...) qui s'inscrivent dans le concept de triplet tribologique. Un triplet est composé des corps en contact (premiers corps), de l'interface (troisième corps) et du mécanisme qui les maintient en contact. Afin de comprendre les phénomènes se produisant au sein des contacts, une analyse multi-physique locale et un découplage des paramètres (mécaniques, thermiques, électriques) s'avèrent nécessaires. Toutefois, cela est difficile à établir expé- rimentalement, une modélisation numérique par éléments discrets est alors pertinente pour palier à ces besoins.L'écoulement dynamique d'un troisième corps constitué de particules de freinage et la dégradation d'un matériau de freinage réel (suite à des méthodes d'imageries) sont modélisés. Les résultats obtenus ont permis d'appréhender les compétitions existant entre paramètres physiques d'une part (mécanique, électrique, thermique) et paramètres d'éch-elles d'autre part (local, global). Ces compétitions tendent à minimiser la résistance élec- trique lorsque les constituants sont en proportion adéquat (meilleure conduction électrique entre roue et rail) mais aussi à équilibrer les débits du circuit tribologique, ce qui conduit à protéger les matériaux (usure contrôlée). En outre, les analyses numériques ont permis de mettre en évidence de nouveaux paramètres liés à ``l'étalement'' du troisième corps et d'appréhender les points clés permettant de se rapprocher d'un contact réel. / The increase of the rail speed imposes the improvement of the braking performances related to the friction materials used in brake pad and brakes shoes. However, wear remains a limiting point in terms of performance but also safety. It has the effect of damaging the materials (mechano-thermal aspects) but also to contaminate the contact between wheel and rail by particles of brake shoes that can electrically isolate it (mechanical-electrical aspects). The method for locating the trains, whose principle is the electrical conduction between wheel and rail, is then compromised.These issues are governed by the different contacts (wheel/rail, wheel/shoes, ...) that fit into the concept of tribological triplets. These are composed of the bodies in contact (first bodies), the interface (third body) and the mechanism that keeps them in contact. In order to understand the phenomena occurring within the contacts, a local multi-physics analysis and a decoupling of the parameters (mechanical, thermal, electrical) are necessary. However, this is difficult to establish experimentally, numerical modeling by discrete elements method is then relevant for these needs.The dynamic flow of a third body consisting of braking particles and the degradation of a real braking material (following imaging methods) are modeled. The results obtained made it possible to understand the competitions existing between physical parameters on the one hand (mechanical, electrical, thermal) and scale parameters on the other hand (local, global). These competitions tend to minimize the electrical resistance when the constituents are in adequate proportion (better electrical conduction between wheel and rail) but also to balance the flows of the tribological track, which leads to protect the materials (controlled wear). In addition, the numerical analyzes made it possible to highlight new parameters related to "spreading" of the third body and to apprehend the key points making it possible to approach a real contact.