Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à étudier la propagation d'un défaut interfacial de géométrie connue soumis à un cisaillement macroscopique à partir d'une méthodologie expérimentale développée durant la thèse qui consiste à i) élaborer un système revêtu céramique/métal dont la morphologie d'interface est contrôlée, ii) introduire un défaut d'interface par la technique de choc laser, iii) soumettre le système revêtu pré-fissuré à un cisaillement macroscopique grâce à une machine de fatigue biaxiale coplanaire et iv) mesurer in situ l'évolution de ce défaut. Le système revêtu subit donc une sollicitation dynamique par la technique de choc laser et quasi-statique par les essais biaxiaux. La morphologie d'interface, paramètre influant sur la fissuration, est également étudiée. Un dépôt d'alumine pure est directement projeté par plasma sur un substrat métallique, un superalliage base cobalt Haynes 188 et un acier inoxydable 304L, sans sous-couche.Un premier travail d'analyse du défaut introduit par choc laser en fonction des paramètres laser et de la morphologie d'interface a tout d'abord été réalisé. Le défaut d'interface résultant se caractérise par une zone délaminée circulaire de quelques millimètres de diamètre et d'une cloque formée par la couche de céramique de quelques dizaines de micromètres de hauteur. Ces dimensions caractéristiques ont été mesurées à partir de techniques d'observation non destructives : profilométrie 3D, observation optique et thermographie infrarouge. La fissuration par choc laser a été étudiée par éléments finis grâce à un modèle de type contact cohésif pour l'interface.La propagation du défaut soumis à un cisaillement macroscopique a été caractérisée expérimentalement grâce aux observations optiques et à la technique de stéréo-corrélation d'images. L'analyse par élément finis du problème a permis d'accéder aux modes de sollicitation le long du front de fissure et de donner une première explication quant aux formes délaminées obtenues expérimentalement. Cette analyse s'appuie sur un modèle de zone cohésive dont les conditions aux limites imposées sont déterminées à l'aide des mesures de déplacement obtenues par corrélation d'images. En particulier, il a été mis en évidence que l’ouverture du front de fissure (mode I), induit par le flambage de la couche et par le chargement macroscopique, favorise la propagation du délaminage qui reste pilotée essentiellement par le cisaillement local (mode II et III). L'influence du cisaillement macroscopique dans le plan de la couche déposée sur la propagation du délaminage interfacial a ensuite été étudiée à partir de trois cas de chargement. Une analyse par éléments finis basée sur la mécanique linéaire de la rupture dans un matériau homogène a permis de déterminer l'influence du cisaillement macroscopique sur le chargement local le long du front de fissure. / The work presented in this manuscript aims to investigate the growth of an interfacial flaw, whose geometry is known, under macroscopic shear loading. An experimental methodology is thus developed in which i) a ceramic/metal coated system with controlled interface roughness is processed, ii) an interfacial flaw is introduced using the laser shock technique, iii) a macroscopic shear loading is applied on the coated system using a biaxial in-plane testing device and iv) interfacial crack growth and buckling are measured in situ. Hence, both dynamic and quasi-static loadings are applied on the coated system by respectively the laser shock technique and biaxial testing. The interface roughness, which affects the crack growth, is also considered in the study. A pure alumina coating is deposited by air plasma spraying on a metallic substrate, polycrystalline cobalt base superalloy Haynes 188 and stainless steel 304L substrates, with no bond coat.First, the flaw resulting from the propagation of a laser shock wave has been analyzed according to the laser parameters and the interface roughness. An interfacial flaw is characterized by a circular delamination with a diameter of a few millimeters and a circular blister with a height of a few tens of micrometers. These characteristic dimensions have been measured thanks to non destructive techniques: 3D profilometry and image analysis based on optical observations and infrared thermography. A finite element analysis has been carried out to investigate the crack behavior under laser shock wave propagation using a cohesive contact to account for the interface behavior.The interfacial flaw growth under macroscopic shear loading has been characterized with optical observations and the digital image stereo-correlation technique. The related finite element analysis enabled to identify the local loading along the crack front and gave a first explanation about the shapes of the delaminated area observed experimentally. This analysis relies on a cohesive zone model whose applied boundary conditions are established from the displacements measured by digital image correlation technique. By this way, the delamination growth was revealed to be mostly driven by local shear (mode II and III) and the crack opening (mode I), induced by the buckling of the deposited layer and the macroscopic shear, makes the delamination growth easier. Finally, the influence of the macroscopic shear loading on the interfacial delamination has been studied from three different macroscopic shear loadings. The finite element analysis based on linear elastic fracture mechanics in a homogenous material has allowed to study the influence of the macroscopic shear loading on the local loading along the crack front.

Ce travail porte sur des essais de traction réalisés sur des éprouvettes d’aluminium lithium entaillées, avec des observations in-situ du champ de déformations.La réduction de consommation de carburant est actuellement une priorité pour l’aviation. Les alliages d’ Al-Li sont d'excellents candidats pour réduire le poids des avions puisqu’ils combinent de très bonnes propriétés mécaniques avec une densité inférieure à celle des alliages conventionnels. Cependant, les propriétés mécaniques de ces matériaux sont fortement anisotropes, et il est essentiel de contrôler ce phénomène afin d'utiliser le matériel à bon escient. À cette fin, il est nécessaire d'avoir le maximum d'informations sur le matériau tant sur ses propriétés microstructurales (taille et forme des grains...) que mécaniques (élasticité, module de Young, résistance à la fissuration ...). Mais la connaissance de ces propriétés mécaniques globales n'est pas suffisante pour maximiser la résistance à la fissuration (critique dans l'application aéronautique). Dans ce contexte, ce travail vise à quantifier l'influence de la microstructure locale (orientation et la taille des grains) sur la fissuration.La propagation des fissures dans des tôles d’épaisseur 2 mm a été analysée. Les essais de traction ont été effectués sur des échantillons entaillés avec observation in-situ du champ de déplacement.Ainsi, la méthode de la grille a été adaptée pour déterminer de grandes déformations dans les grains. Le champ de déplacement a été caractérisée par la déformation d'une grille croisée collée (pas 30 um), et les paramètres affectant la qualité des résultats (résolution et résolution spatiale) ont été optimisés. Afin de compenser le mouvement du corps rigide, un nouveau système automatique d'acquisition d'image conduisant à de petites déformations entre chaque image a été développé. Une nouvelle méthode d'extraction de phase a été instauré, permettant un déroulage temporel de la phase. / This work concerns tensile tests carried out on notched Aluminum-Lithium specimens, with in-situ observations of the strain field.Reducing aviation fuel consumption is currently a priority. Al-Li alloys are excellent candidates for reducing weight of aircrafts. They combine very good mechanical properties with a lower density than conventional alloys. However, the mechanical properties of these materials are highly anisotropic, and it is essential to control this phenomenon in order to use the material wisely. To that end, it is necessary to have an enormous amount of information on the material both microstructural (size and shape of grains ...) and mechanical (yield strength, Young modulus, resistance to cracking ...) properties. But the knowledge of these overall mechanical properties is not enough to maximize resistance to cracking (critical in aeronautic application). In this context, this work aims to quantify the influence of local microstructure (orientation and size of grains) on cracking.Crack propagation in 2 mm thick Al-Li sheet metal has been analyzed. Tension test were carried out on deeply notched specimens with optical in-situ observation of the displacement field.Thus, grid method was adapted to determine large strains in the grains. The displacement field was characterized through the deformation of a bonded crossed square grid (path 30 µm), and the parameters affecting the quality of results (resolution and spatial resolution) have been optimized. In order to compensate the rigid body motion, a new automatic image acquisition system leading to small strains between each image have been developed. A new phase extraction method has been introduced allowing a temporal phase unwrapping.

This master's thesis is focused on in situ observation of the negative electrode of the lead acid accumulator using atomic force microscopy AFM. Discussed topics are lead acid accumulator, atomic force microscopy, cyclic voltammetry and current knowledge of the in situ observation of the lead acid accumulator using AFM. The main task of this project is assembling the experimental cells, make in situ observation of the negative electrode surface of the lead acid accumulator. In the end evaluate if this method is suitable for the lead acid battery observation.

Bien que l’amorçage de fissure joue un rôle important en fatigue, ses mécanismes ne sont pas encore pleinement compris. Des critères d'amorçage basés sur des mécanismes physiques de déformation plastique ont été proposés mais ne sont pas faciles à utiliser et à valider, car ils nécessitent des variables locales à l'échelle du grain. L'étude présente vise à établir un critère d'amorçage en fatigue oligocyclique, utilisable sous chargement d'amplitude variable.Le comportement mécanique de l'acier inoxydable AISI 316L étudié a été caractérisé en fatigue oligocyclique. Il a été modélisé par un schéma autocohérent utilisant une loi de plasticité cristalline basée sur l'évolution des densités de dislocations. L'endommagement de surface a été suivi pendant un essai de fatigue à l'aide d'un dispositif de microscopie optique in situ. Les fissures présentes après 2000 cycles ont été analysées et leurs caractéristiques cristallographiques calculées.Comme les grains de surface montrent une déformation plus importante à cause d'un moindre confinement par les grains voisins, il est nécessaire de définir une loi de localisation spécifique aux grains de surface. La forme proposée fait intervenir une variable d'accommodation intergranulaire, sur le modèle de la loi de localisation de Cailletaud-Pilvin. Elle a été identifiée à partir de simulations par éléments finis. L'état des contraintes et des déformations dans les grains de surface a alors été simulé. Des indicateurs d'amorçage potentiels ont ensuite été comparés sur une même base expérimentale. Deux indicateurs pertinents de l'endommagement en fatigue ont pu être obtenus. / Although crack initiation is proved to play an important role in fatigue, its mechanisms have not been fully understood. Some crack initiation criteria based on physical mechanisms of plastic deformation have been defined. However, these criteria are not easy to use and valid, as they need local variables at the grain scale. The present study aims at establishing a crack initiation criterion in low-cycle fatigue, which should be usable under variable amplitude loading conditions.Tension-compression fatigue tests were first carried out to characterize the mechanical behavior of the stainless steel AISI 316L studied. The mechanical behavior was simulated using a self-consistent model using a crystalline plastic law based on dislocation densities. The evolution of surface damage was observed during a fatigue test using an in situ optical microscopic device. Cracks were analyzed after 2000 cycles and their crystallographic characteristics calculated. As surface grains exhibit larger strain because they are less constraint by neighbor grains, a specific numerical frame is necessary to determine stress state in surface grains. A localization law specific to surface grains under cyclic loading was identified from finite element simulations. The proposed form needs an intergranular accommodation variable, on the pattern of the localization law of Cailletaud-Pilvin. Stress-strain state in surface grains was simulated. Potential indicators for crack initiation were then compared on a same experimental data base. Indicators based on the equivalent plastic strain were found to be suitable indicators of fatigue damage.

L’érosion des édifices volcaniques résulte d’une série de processus géomorphologiques qui se produisent pendant, avant ou sans éruption. Ce processus implique également le terme « lahar » qui décrit un écoulement rapide de la zone sommitale vers l’aval amenant des matériaux volcaniques mélangés à de l’eau avec une évolution de la dynamique d’écoulement dans l’espace et dans le temps. L’érosion des édifices volcaniques est encore mal connue, particulièrement en raison de la difficulté d’acquisition de données sur le terrain. Pourtant, les lahars ont causé à eux seuls au moins 44 250 morts de 1600 à 2010 dont 52 % à cause d’un seul évènement en 1985 (Nevado del Ruiz, Colombie). Cette étude propose une approche multiscalaire pour mieux comprendre la nature de l’érosion des édifices volcaniques sur le déclenchement et la dynamique des lahars. L’éruption du volcan Merapi (Indonésie) en2010 fut l’occasion de produire de nouvelles données de terrain. La première partie de la thèse, relative au déclenchement des lahars, repose sur des données de terrain et des expérimentations en laboratoire. Le travail de terrain avait pour but de comparer un bassin versant bouleversé par l’éruption de 2010 et un autre bassin versant non bouleversé, par le biais d’observations in-situ et d’instrumentation de terrain. En laboratoire, l’approche expérimentale fut réalisée en utilisant 8 scénarios différents sur un plan incliné. La deuxième partie, liée à la dynamique des lahars en mouvement, fut étudiée à partir du couplage vidéo signaux sismiques. Les dépôts liés à ces lahars furent également analysés et mis en regard de la chronologie des écoulements. Trois ans après l’éruption du Merapi en 2010, les lahars se sont raréfiés. Cependant, les dépôts de cendres juvéniles issues d’une autre éruption d’un volcan voisin (Kelud à Java Est) eurent comme résultat une augmentation significative du nombre de lahars à partir de février 2014. Le déclenchement des lahars fut également favorisé par des glissements de terrain connectés aux thalwegs, comme celui produit dans la nuit du 6 au 7 décembre 2012, que nous avons étudié en détail. La dynamique des deux lahars observés et filmés les 28 février et 18 mars 2014 fut divisée en 4 phases : (1) écoulement hyperconcentré, (2) pic de coulée de débris, (3) corps du lahar, (4) queue du lahar. L’analyse vidéo et l’observation in-situ sur les lahars en mouvement a permis de créer des hydrogrammes détaillés indiquant la profondeur, la vitesse, le débit et le nombre des blocs métriques flottés. La dynamique des lahars sur les différentes topographies du chenal a provoqué une fréquence sismique très différente. La formation des dépôts de lahars fut corrélée à la dynamique des écoulements et nécessita une observation in-situ pour la validation d’interprétation. / The erosion of volcanic edifices is a series of geomorphological processes that occurs during, before or without eruption. This process also involves the term "lahar" which is characterized by dense mixtures of volcanic materials and water, rapidly flowing from a volcano with important spatio-temporal rheological changes. The erosion of volcanic edifices is still poorly understood, particularly because data collection in the field is difficult. However, lahars have caused at least 44,250 deaths from 1600 to 2010 of which 52%due to a single event in 1985 (Nevado del Ruiz, Colombia).This study proposes a multi-scalar approach to better understand the nature of the erosion of volcanic edifices, especially on lahar initiation process and dynamics. The eruption of the Merapi volcano(Indonesia) in 2010 was an opportunity to produce new data. The first part of this thesis focused on the lahar initiation process, was based on field data and laboratory experiments. The field work was intended to compare a volcanically disturbed watershed by the eruption of 2010 and an undisturbed watershed, by conducting in-situ observations and field instrumentation. In the laboratory, an experimental approach was performed using 8 different scenarios on a flume. The second part of the thesis related to the dynamics of two lahars in motion was conducted using coupling between video footage and seismic signal. Lahar deposits were also analyzed based on the chronology of the flows. Three years after the eruption of Merapi in 2010, the frequency of lahar occurrence decreased. However, juvenile ash fall deposits (volcanic ash) from another eruption of a nearby volcano (Kelud in East Java) in February 2014 resulted a significant increase of lahars occurrence. Lahars triggering process was also favored by a landslides occurring in the night of 6 to 7 December 2012, of which the deposit was connected to the thalweg. The dynamics of the two lahars were observed and filmed on 28 February and18 March 2014. Those lahars were divided into four phases: (1) hyperconcentrated flow, (2) the peak of debris flow, (3) lahar body, and (4) lahar tail. Video analysis and in-situ observation on active lahars allowed us to create detailed hydrographs indicating flow depth, velocity, discharge and the number of floated boulders. Lahar dynamics on different topography of the channel caused a very different seismic frequency. The formation of lahar deposits was correlated with the flow dynamics and required an in-situ observation for the validation of the interpretation. / Erosi kerucut vulkanik merupakan hasil dari serangkaian proses geomorfologi yang terjadi baik selama,sebelum atau tanpa erupsi. Proses ini juga melibatkan "lahar" yang didefinisikan sebagai aliran cepat daridaerah puncak gunung menuju hilir dengan membawa material vulkanik yang bercampur dengan airdimana dinamika alirannya terus berubah secara spasial dan temporal. Erosi struktur vulkanik masihsedikit ditelaah, terutama karena sulitnya pengumpulan data di lapangan. Padahal, lahar telahmenyebabkan setidaknya 44.250 kematian dari tahun 1600 sampai 2010, dimana 52% -nya terkait denganbencana pada tahun 1985 di gunung Nevado del Ruiz (Kolombia).Penelitian ini mengusulkan pendekatan multi-skalar untuk lebih memahami karakteristik erosi kerucutvulkanik terutama yang terkait dengan pemicu dan dinamika aliran lahar. Letusan Gunung Merapi(Indonesia) pada tahun 2010 memberikan kesempatan untuk menghasilkan data lapangan baru. Bagianpertama dari disertasi ini, mengenai pemicu lahar, dilakukan berdasarkan data lapangan dan experimenlaboratorium. Kegiatan lapangan dimaksudkan untuk membandingkan DAS yang terdampak oleh letusan2010 dan DAS alami, melalui pengamatan in-situ dan instrumentasi lapangan. Di laboratorium,pendekatan eksperimental dilakukan dengan menggunakan 8 skenario yang berbeda pada flume. Bagiankedua dari disertasi ini berkaitan dengan dinamika aliran lahar aktif yang dipelajari dari perpaduanrekaman video dan sinyal seismik. Proses sedimentasi juga dianalisis dengan dipertimbangkan kronologialiran lahar.Tiga tahun setelah letusan Merapi pada tahun 2010, frekuensi kejadian lahar berkurang. Namun,sedimentasi abu vulkanik yang berasal dari gunung api lain (Kelud di Jawa Timur) telah mengakibatkanpeningkatan jumlah lahar yang signifikan sejak Februari 2014. Pembentukan lahar juga dipicu oleh tanahlongsor yang terjadi pada pada malam 6 menuju 7 Desember 2012 dimana materialnya terhubunglangsung ke thalweg. Dinamika dua aliran lahar diamati dan difilmkan pada tanggal 28 Februari dan 18Maret 2014. Lahar tersebut dibagi menjadi empat fase: (1) aliran hyperconcentrated, (2) puncak alirandebris, (3) tubuh lahar, (4) ekor lahar. Analisis video dan pengamatan in-situ pada lahar aktif sangatmembantu pembuatan hidrograf secara rinci terkait dengan kedalaman aliran, kecepatan, debit dan jumlahbatu yang terapung. Dinamika lahar pada topografi sungai yang berbeda menimbulkan frekuensi seismikyang sangat berbeda. Proses sedimentasi lahar sangat berkaitan dengan dinamika aliran lahar dandiperlukan pengamatan in-situ untuk memvalidasi interpretasi yang dibuat. / La erosión de los edificios volcánicos es el resultado de una serie de procesos geomorfológicos que ocurre durante, antes o sin erupción. Este proceso también involucra el término "lahar", un flujo rápido de la cumbre de volcán hacia el rio que contiene una mezcla de materiales volcánicos y agua con cambio espacial y temporal. La erosión de los edificios volcánicos aún es poco estudiado debido a las dificultades para la obtención de los datos en el campo y además es peligroso. Mientras, los lahares han causado 44 250 muertos desde 1600 a 2010, en el cual de 52% ha sido causado por un evento único en 1985 (Nevado del Ruiz, Colombia). Esta investigación propone un acercamiento multiescalar para entender mejor las características de erosión de los edificios volcánicos, en particular el proceso de descenso y la dinámica de lahares. La erupción del volcán Merapi (Indonesia) en 2010 fue una oportunidad para generar nuevos datos. La primera parte de esta tesis enfocada al proceso de iniciación de descenso de lahares, que fue basada en la obtención de los datos de campo y experimentos en el laboratorio. El trabajo de campo fue realizado con el objetivo de comparar una cuenca hidrográfica afectada por la erupción de 2010 y una otra cuenca natural, a través de la observación in-situ y la instrumentación geofísica en el campo. En el laboratorio, el trabajo fue realizado con 8 escenarios diferentes usando un canal artificial. La segunda parte de esta tesis fue relacionada a la dinámica de movimiento de lahares que se realizó a través del acoplamiento de vídeos y señales sísmicas. Se analizó también el proceso de sedimentación basado en la cronología de los flujos de lahares. Tres años después de la erupción del Merapi en 2010, la frecuencia de ocurrencia de lahares se disminuye. Sin embargo, la sedimentación de ceniza volcánica de otra erupción de un volcán cercano (Kelud en Java Oriental) causó un aumento significativo de la ocurrencia de lahares desde febrero de 2014. La formación de lahares también se provocó por deslizamiento de tierra que se ocurrió en la noche de 6 a 7 de diciembre de 2012, en la que los materiales se juntaron directamente a la vaguada. La dinámica de dos flujos de lahares fue observada y grabada en video el 28 de febrero y 18 de marzo 2014. Estos dos lahares se dividieron en cuatro fases: (1) flujo hiperconcentrado, (2) el pico de flujo de escombros, (3) cuerpo de lahar, (4) cola de lahar. El análisis de video y la observación in-situ de lahares activos nos han ayudado a crear los hidrogramas en detalle que muestran la profundidad del flujo, la velocidad, la descarga y el número de rocas flotadas. La dinámica de lahares en diferentes topografías del canal causó una frecuencia sísmica muy diferente. El proceso de sedimentación de lahares se correlacionó con la dinámica de flujo y se requiere una observación in-situ para validar la interpretación.