Les films minces sont abondamment utilisés pour protéger ou fonctionnaliser les surfaces. Les contraintes mécaniques peuvent cependant entraîner la ruine de ces structures par la propagation de fissures ou leur décollement. Nous présentons deux systèmes expérimentaux qui amènent à s'interroger sur les limites de validité des critères de stabilité communément admis. Pour une couche de sol- gel présentant une énergie d'adhésion modérée avec son substrat de silicium, nous observons la propagation de fissures dans des films réputés stables. Les motifs de propagation sont étonnement réguliers (en forme de spirales ou d'allées de croissants). Nous caractérisons expérimentalement cette propagation. Nous mettons en évidence un nouveau mode de propagation de fissure où la délamination et la fissure transverse collaborent. Nous montrons l'existence d'une taille d'interaction robuste entre fissures indépendantes du chargement et des énergies de rupture. Nous proposons un modèle simple permettant de prédire les conditions de propagation et la sélection des motifs. Nous caractérisons enfin la dynamique de propagation de telles fissures. Dans un second système expérimental motivé par les applications en électronique flexible, nous nous intéressons à des films nanométriques d'oxyde de zinc déposés sur des substrats de polymère. La rigidité du substrat est alors faible devant celle de la couche. Nous décrivons la fragmentation du film et proposons une extension d'un modèle de couche élastique sur fondation élasto-plastique. Enfin, nous nous intéressons à la compression et à la fragmentation d'un multicouche comportant une fine épaisseur d'argent.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement à la rupture des matériaux fragiles avec une approche capable de relier l'amorçage de fissures à leurs propagations. On adopte la méthode des éléments discrets (DEM), avec le matériau composé d'un ensemble bidimensionnel régulier de particules en contact. Ceci qui nous permet de dériver une expression pour le facteur d'intensité de contraintes en fonction des forces et des déplacements relatifs des deux contacts adjacents à la pointe d'une fissure. Un critère de rupture classique, basé sur la ténacité du matériau, est ensuite adopté pour l'analyse de la propagation des fissures, représenté par la perte des forces de contact entre les particules. La vérification de la formulation est faite par la comparaison des simulations numériques à des solutions classiques de la mécanique de la rupture en mode I, mode II et mode mixte. Ensuite, on étend l'application du critère discret au comportement d'un matériau sain (non pré-fissuré), soumis à des contraintes homogènes, pour lequel on retrouve un critère de rupture du type Rankine. Le résultat final est un modèle discret simple totalement compatible avec les approches continues usuelles, et qui ne demande pas d'essais de calibration, typiques des approches discrètes conventionnelles.

Le comportement à la rupture du bois résineux est étudié à l’échelle du cerne de croissance, dite échelle mésoscopique. Un modèle élastique cohérent est obtenu à l’aide de l’usage combiné de la corrélation d’image numérique et de la simulation par la méthode particulaire NairnFEAMPM. Le comportement mécanique établi du bois est alors celui d’un composite multicouche orthotrope et cylindrique agrémenté de renforts radiaux que sont les rayons ligneux. La mise en place d’un modèle mécanique adéquat, appuyé sur divers essais expérimentaux sert alors de fondation à l’étude des mécanismes de rupture de l’épicéa dans le plan transverse. A l’échelle mésoscopique, les mécanismes de rupture sont dépendants de variables locales telles que la position de la pointe de fissure dans le cerne ou bien l’orientation des directions principales du matériau par rapport à celle de la sollicitation. La mise en place d’un critère de rupture en énergie se base sur l’estimation et la mesure des taux de restitution d’énergie locaux et de leurs valeurs critiques locales. Pour cela, divers essais de tractions sont réalisés à l’aide d’un montage spécifique permettant l’observation in situ du processus de fissuration sous microscope et la mesure pas à pas des paramètres de rupture. La méthode particulaire NairnFEAMPM combinée à l’algorithme CRAMP permet ensuite l’étude numérique, la comparaison et la mise en place de critères de rupture locaux. Des mécanismes de rupture spécifiques tels que la bifurcation de fissure, l’arrêt local ou bien la création de fissures secondaires trouvent alors une explication à travers les critères de rupture mésoscopiques proposés. L’analyse succincte du séchage transverse du bois par quelques essais expérimentaux et modélisation numériques via la méthode du point matériel NairnFEAMPM indique des pistes d’études intéressantes relatives aux phénomènes de fissuration sous sollicitation hydrique. / This study is based on recent works developed by Simon on softwood multiscale characterisation in the transverse plane. Wood fracture behaviour is then investigated at the mesoscopic scale i.e. the growth rings scale. A satisfactory elastic model is obtained by combining digital image correlation (DIC) and numerical simulation given by the material point method NairnFEAMPM. Wood mechanical behaviour is thus assimilated to a multilayer composite material orthotropic and cylindrical. This adequate mechanical model of wood based on experimental results, observations is then applied to the investigation of softwood fracture mechanics in the transverse plane. At the mesoscopic scale, fracture mechanisms vary according to local parameters such as crack notch position into the annual ring or wood orientation in relation to the solicitation orientation. The research of fracture criteria involves measurements and estimations of local energy release rates and local critical energy release rates. Various tension tests are thus performed with the use of a specific setup. This last one helps to complete microscopic in-situ observations of fracture mechanisms and step by step fracture parameters measurements. The meshless method NairnFEAMPM combined with the CRAMP algorithm allows the numerical analysis and the implementation of local fracture criteria. The determined fracture criteria helps to predict fracture process into wood at the annual ring scale. This analysis helps to improve the knowledge of specific fracture phenomena at the mesoscopic scale such as crack bifurcation, crack arrest and secondary crack creation. Transverse wood drying analysis is then realized from experimental tests and NairnMPMFEA numerical simulation. This study gives some interesting and encouraging results as MPM tool allows crack phenomena representation under hydric solicitation.

L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement à la rupture des matériaux fragiles avec une approche capable de relier l’amorçage de fissures à leurs propagations. On adopte la méthode des éléments discrets (DEM), avec le matériau composé d'un ensemble bidimensionnel régulier de particules en contact. Ceci qui nous permet de dériver une expression pour le facteur d'intensité de contraintes en fonction des forces et des déplacements relatifs des deux contacts adjacents à la pointe d’une fissure. Un critère de rupture classique, basé sur la ténacité du matériau, est ensuite adopté pour l'analyse de la propagation des fissures, représenté par la perte des forces de contact entre les particules. La vérification de la formulation est faite par la comparaison des simulations numériques à des solutions classiques de la mécanique de la rupture en mode I, mode II et mode mixte. Ensuite, on étend l’application du critère discret au comportement d’un matériau sain (non pré-fissuré), soumis à des contraintes homogènes, pour lequel on retrouve un critère de rupture du type Rankine. Le résultat final est un modèle discret simple totalement compatible avec les approches continues usuelles, et qui ne demande pas d’essais de calibration, typiques des approches discrètes conventionnelles. / The objective of this thesis is to study the fracture behavior of brittle materials by an approach which relates crack initiation to crack growth. We adopt the discrete element method (DEM) and we represent the material by a 2D regular set of particles in contact. This allows us to derive an expression for the stress intensity factor as a function of the forces and relative displacements of two adjacent contacts at the crack tip. A classical failure criterion, based on the material’s toughness, is then adopted for the analysis of crack propagation, represented by the loss of contacts forces between particles. The formulation is verified by the comparison of numerical simulations to classical solutions of fracture mechanics in mode I, mode II and mixed mode. Afterwards, we apply our discrete criterion to uncracked materials under homogenous stress conditions, obtaining a Rankine like behavior.. The work results in a simple discrete model which is totally compatible to continuum mechanics, where no calibration tests are required, in contrast to most of discrete approaches.

Le développement et l'exploitation de réservoirs géothermiques profonds s'accompagnent généralement d'une sismicité induite - un effet secondaire indésirable. Cette recherche est axées sur l'utilisation de simulations numériques pour étudier la propagation des fractures hydrauliques et la réactivation de failles préexistantes lors de la stimulation hydraulique des réservoirs afin de mieux comprendre le comportement du réservoir fracturé et de réduire le risque potentiel de sismicité induite.La sismicité induite est d'abord étudiée du point de vue de l'utilisation de la loi de conservation de l'énergie afin d'expliquer le mécanisme de génération d'ondes élastiques à partir d'une rupture de roche. Ensuite, une approche approximative est proposée pour calculer les accélérations de pointe (PGA) induites par le glissement de faille. Les PGA calculés à la surface du sol servent à évaluer la perception humaine des ondes sismiques et le potentiel de dégradation des structures. / The development and the exploitation of deep geothermal reservoirs are usually accompanied with induced seismicity - an unwanted side effect. This research is focused on using numerical simulations to investigate the propagation of hydraulic fractures and the reactivation of pre-existing faults during the hydraulic stimulation of the reservoirs in an effort to better understand the fractured reservoir behavior and to reduce the potential risk of induced seismicity.The induced seismicity is studied first from the standpoint of using the law of energy conservation in order to explain the mechanism of generating elastic waves from rock failure. Then an approximate approach is proposed to calculate the peak ground accelerations (PGAs) that are induced by the fault slip. The computed PGAs on ground surface are used to assess the human perception of the seismic waves and the damage potential to structures.

Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) sont élaborés à partir de constituants fragiles. Le comportement mécanique et le développement de la fissuration dépendent des propriétés des constituants élémentaires des CMC. La connaissance de l’influence de ces propriétés sur l’évolution de la fissuration et du comportement mécanique fournit une aide au concepteur de matériaux composites.L’objectif de ce travail est de modéliser l’évolution du réseau de fissures au sein du CMC sollicité en traction, à l’échelle du fil et à l’échelle du composite tissé. L’approche proposée est une alternative aux principaux modèles de comportement des CMC.A l’échelle du fil, l’endommagement intervient d’abord sous forme de fissures matricielles accompagnées de décohésions à l’interface fibre/matrice. Les analyses de ces deux mécanismes ont permis d’exprimer leur évolution au sein du fil en traction. Le comportement en traction résultant de l’endommagement et l’ouverture de la fissure matricielle sont aussi exprimés semi-analytiquement.Les comparaisons avec un modèle numérique de zones cohésives et avec les essais expérimentaux montrent une bonne corrélation des résultats.Enfin ces expressions à l’échelle du fil sont utilisées pour modéliser l’endommagement du fil longitudinal au sein du composite tissé en traction. De plus, un outil numérique est développé pour modéliser la fissuration matricielle inter-fil dans le composite tissé. / Ceramic matrix composite materials (CMC) are elaborated from fragile constituents. Their mechanical behaviour and crack growing depend on the properties of the CMC elementary constituent. Knowing the influence of these properties on crack development and mechanical behaviour provides support to the composite material designer.This work aims at modelling the crack networks development within the CMC under axial tension, at the yarn scale as well as at the woven composite scale. The proposed approach is an alternative to the main CMC behaviour models.At the yarn scale, matrix cracking with interfacial debonding between fiber and matrix first happen. Both mechanisms are analysed and their development are expressed. The mechanical behaviour resulting from damage and the crack opening displacement are also described using semi-analytical equations. Comparisons with numerical cohesive zone model and also with experimental testing shows good correlation between results.These semi-analytical expressions are then used for modelling damage within each yarns at the woven composite scale. In addition, a numerical tool is developed for matrix cracking and interfacial debonding between yarns of the woven composite.

L'acier martensitique à 9% de chrome Z10CDNbV9-1 est pressenti pour constituer le matériau de structure des futurs réacteurs hybrides ADS où il sera notamment soumis au contact du plomb ou du plomb-bismuth liquides. Cette étude présente une évaluation de la plage de risques encourus par l'acier vis à vis du phénomène de fragilisation par les métaux liquides. Si, après son élaboration, l'acier ne semble présenter aucun signe de fragilisation par les métaux liquides, une combinaison particulière d'effets microstructuraux et de conditions d'essais montrent que l'acier habituellement ductile peut subir une fragilisation brutale et se comporter comme un matériau fragile en présence de métal liquide. Le mécanisme impliqué dans cette fragilisation se base sur le phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel. L'interprétation de la fragilisation mise ici en évidence s'appuie sur la théorie de la rupture fragile dans les matériaux ductiles et sur les notions définies couramment en mécanique de la rupture.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'Ecole Nationale des TPE et les entreprises routières APPIA et EUROVIA. La société pétrolière TOTAL a également été associée à l'étude. Ce travail traite de l'analyse du comportement thermo-mécanique des enrobés bitumineux aux températures basses et intermédiaires et vise à mettre en évidence les relations entre les propriétés des liants et des enrobés. Un large travail expérimental de laboratoire a été réalisé en vue de répondre à ces deux objectifs. Il s'agit notamment de mieux cerner les critères existants de caractérisation des liants, voire d'en proposer de nouveaux, en relation avec le comportement en place des enrobés.<br /><br />Après une étude bibliographique sur la rhéologie et les propriétés thermo-mécaniques des bitumes, des mastics et des enrobés bitumineux, le travail expérimental mené aussi bien dans le domaine des petites déformations que des grandes déformations, est exposé.<br /><br />Le comportement à basse température des bitumes a été évalué avec trois tests fondamentaux largement répandus : i)l'essai de module complexe, ii)l'essai de fluage au BBR, iii)l'essai de traction directe SHRP à vitesse de déformation constante et températures constantes. En outre, un nouvel essai de fissuration, consistant en un essai de flexion trois points sur éprouvettes de bitume préentaillées, a été développé à l'ENTPE. Les paramètres de ténacité et d'énergie de rupture des bitumes à basses températures ont pu être déterminés en utilisant les hypothèses de la MLR (Mécanique Linéaire de la Rupture). <br /><br />Le comportement thermo-mécanique des enrobés bitumineux à basse température a été étudié en réalisant i)des essais de module complexe, ii)des mesures du coefficient de dilatation-contraction thermique, iii)des essais de traction à vitesses de déformation constantes, iv)ainsi que des essais de retrait thermique empêché.<br /><br />Tout d'abord, des liens pertinents entre les propriétés des liants et des enrobés, et des caractéristiques suffisamment discriminantes au regard des propriétés à basse température des enrobés ont été mis en évidence. Ensuite, l'analyse a consisté à effectuer un travail de modélisation du comportement des liants et des enrobés, en petites et grandes déformations.<br /><br />Un modèle rhéologique monodimensionnel, qui consiste en une généralisation du modèle analogique de Huet-Sayegh, a été développé dans le domaine des petites déformations. Ce modèle, appelé modèle “2S2P1D”, permet de simuler correctement à la fois le comportement visco-élastique linéaire des bitumes et celui des enrobés bitumineux. A partir de ce modèle, une transformation originale –indépendante du modèle– permettant de prédire le module complexe de l'enrobé à partir de celui du liant est proposée, puis validée.<br /><br />Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à la loi généralisée monodimensionnelle “DBN” (Di Benedetto-Neifar) à partir de laquelle un programme a été développé sur l'interface Visual Basic du logiciel Excel. Ce programme constitue un outil simple de prévision du comportement de l'enrobé bitumineux sous diverses sollicitations (mécaniques et/ou thermiques). Ce modèle rhéologique permet de faire le lien entre les petites et les grandes déformations. Des simulations d'essais de traction à vitesses de déformation constantes, ainsi que des simulations d'essais de retrait thermique, monotones ou cycliques, sont enfin présentées.

Cette étude, réalisée au Centre des Matériaux de l'Ecole des Mines de Paris, porte sur les problèmes d'identification et de transférabilité des lois de fissuration des aciers utilisés à haute température. Une approche globale, fondée sur les paramètres C* et J de la mécanique non linéaire de la rupture, a été utilisée pour caractériser l'amorçage et la propagation des fissures en<br />fluage. Les nuances d'aciers étudiées sont : les aciers ferritiques 1Cr-1Mo-1/4V (chaud et froid, travaillant à 540°C et 250°C) utilisés dans les centrales thermiques et l'acier inoxydable austénitique 316 L(N) utilisé dans les centrales nucléaires. Au cours de cette thèse, une base de<br />données a été mise en place, elle regroupe plusieurs essais de fatigue, de fluage, de fatigue-fluage, et de relaxation. Sa particularité est de contenir plusieurs essais de fluage (27 essais), réalisés à différentes températures (550°C à 650°C) et sur trois différentes géométries. La pertinence du paramètre C* pour décrire la fissuration en fluage est analysée par une étude systématique des singularités de contraintes en élasto-viscoplasticité sous plusieurs modes de chargement (différents taux de triaxialité). Il a été montré que, outre le paramètre C*, un deuxième terme non singulier, noté Q*, est nécessaire pour décrire les variables locales au voisinage de la pointe de fissure. Les valeurs de ce paramètre de confinement sont toujours<br />négatives. La conséquence en est que les conditions dapplication des lois classiques de fissuration corrélant la vitesse de fissuration et le paramètre C* (da/dt - C*), seront sécurisantes pour les applications industrielles.<br />A travers cette étude, on a également montré que pour les aciers ferritiques, la période d'incubation des fissures est importante, donc une corrélation de type Ti - C* a été retenue pour prédire le temps à l'amorçage. Pour l'acier inoxydable austénitique, la phase pertinente est celle de<br />la propagation des fissures, ainsi une courbe maîtresse (da/dt - C*) a été établie pour cet acier. Pour cette identification une nouvelle méthodologie de dépouillement des essais de fluage a été mise en place. Enfin, la propagation des fissures a été simulée numériquement par la technique de relâchement des noeuds, permettant ainsi, de valider les expressions analytiques retenues pour dépouiller les essais de fluage.

Aujourd'hui la simulation numérique du soudage apporte une solution à la maîtrise du procédé en prédisant l'état résiduel de la structure. Ainsi, l'un des objectifs de ce travail de thèse est de dresser un bilan de l'apport de la simulation des procédés et notamment du soudage dans le contexte industriel et d'établir une aide à la compréhension des phénomènes impliqués par la mise en place d'outils de modélisation numériques adaptés pour parvenir aux résultats attendus. Comme toute carte à l'échelle 1 se révélant inutile et inexploitable, nous ne proposerons pas un modèle physique unique et réel mais plutôt un ensemble d'approches phénoménologiques basées sur la compréhension des phénomènes physiques et qui permet, par la réduction du problème à partir d'hypothèses justifiées, à la simulation numérique d'atteindre les objectifs attendus par les industriels. Quel avantage existerait-t-il à disposer d'un modèle de même complexité que son objet ?