An artificial neural network (ANN) is used to model nonlinear, large deformation plastic behavior of a material. This ANN model establishes a relationship between flow stress and dislocation structure content. The density of geometrically necessary dislocations (GNDs) was calculated based on analysis of local lattice curvature evolution. The model includes essential statistical measures extracted from the distributions of dislocation microstructures, including substructure cell size, wall thickness, and GND density as the input variables to the ANN model. The model was able to successfully predict the flow stress of aluminum alloy 6022 as a function of its dislocation structure content. Furthermore, a sensitivity analysis was performed to identify the significance of individual dislocation parameters on the flow stress. The results show that an ANN model can be used to calibrate and predict inelastic material properties that are often cumbersome to model with rigorous dislocation-based plasticity models.

No description available.

No description available.

Les travaux réalisés lors de cette thèse ont pour but la caractérisation magnétique et structurale de réseaux ultra-denses de nanofils monocristallins de cobalt de structure hcp avec l’axe c parallèle à l’axe des nanofils. Ces réseaux sont obtenus par une méthode physico-chimique dite croissance hybride. Le nanomatériau obtenu est un réseau de nanofils monocristallins de Co verticaux épitaxiés sur un film de platine. La cristallinité des nanofils induit une forte anisotropie perpendiculaire au réseau faisant émerger des propriétés physiques qui pourraient répondre au cahier des charges pour constituer des média magnétiques à haute capacité. Le manuscrit s’organise en quatre parties. Il convient dans un premier temps d’exposer une revue de la littérature décrivant le comportement magnétique d’un nano-cylindre isolé puis d’un réseau hexagonal de nano-cylindres. La méthode de magnétométrie utilisée pour caractériser ces réseaux est appelée méthode FORC (First Order Reversal Curves). La mesure et le traitement associé permettent de tracer des diagrammes dits FORC dans lesquels peuvent être lus les caractéristiques magnétiques des nanofils et leurs interactions. La lecture de ces diagrammes n’étant pas directe, le chapitre II est consacré à la description de la méthode FORC appliquée à des assemblées d’hystérons. Cette investigation a demandé d’être soutenue par des simulations micromagnétiques afin d’appuyer les hypothèses formulées lors de l’interprétation des diagrammes FORC mesurés. Il apparait ainsi une famille en très bon accord avec les modèles théoriques exposés dans le chapitre I, puis une seconde famille dont la description précise nécessite l’ajout d’une interaction magnétisante entre nanofils en plus de l’interaction magnétostatique. / The work carried out during this thesis aims at the magnetic and structural characterization of ultra-dense arrays of single crystalline cobalt hcp nanowires with the c axis parallel to the wires axis. These arrays are obtained by a physicochemical method called hybrid growth. The resulting nanomaterial is an array of vertical Co nanowires epitaxially grown on a platinum film, with diameters of 6 to 15 nm and coated with organic ligands. The crystallinity of the nanowires induces a strong anisotropy perpendicular to the substrate, giving rise to physical properties that could meet the specifications to constitute high density magnetic media. The manuscript is organized in four parts. First, a review of the literature describing the behavior of isolated magnetic nano-cylinders and dense arrays of nano-cylinders is presented. The magnetometry method used to characterize these arrays is called the FORC (First Order Reversal Curves) method. This measurement and analysis lead to the plot of FORC diagrams which contain the magnetic properties of nanowires and their interactions. The reading of these FORC diagrams being undirect, the chapter II is devoted to the description of the FORC method applied to assemblies of hysterons. Because of its reproducibility, the physico-chemical synthesis is a critical point of this study which is detailed in Chapter III. FORC magnetometry applied to two families of synthesized samples is described in Chapter IV. This investigation has required numerous micromagnetic simulations to support the assumptions made in the interpretation of FORC diagrams. This deep analysis reveals a first family in very good agreement with the theoretical models exposed in chapter I, and a second family for which the precise description requires the addition of a magnetizing interaction between nanowires in addition to the magnetostatic one.

There has been progress in the surface modification of low carbon steel in order to enhance its surface hardness. This study contributes to this by investigating the introduction of carbon nanotubes and amorphous carbon in the carburization of mild steel. In order to achieve the goal, carbon nanotubes were synthesized in a horizontal tubular reactor placed in a furnace also called the chemical vapor deposition process at a temperature of 700oC. Catalyst was produced from Iron nitrate Fe(NO3)3.9H2O and Cobalt nitrate Co(NO3)2.6H2O on CaCO3 support while acetylene C2H2 was used as the carbon source and nitrogen N2 was used as contaminant remover. The as-synthesized carbon nanotubes were purified using nitric acid HNO3 and characterized using scanning electron microscopy (SEM), thermo-gravimetric analysis (TGA) and fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). It was found that as-synthesized carbon nanotubes had varying lengths with diameters between 42-52 nm from the SEM and the TGA showed the as-synthesized CNTs with a mass loss of 78% while purified CNTs had 85% with no damage done to the structures after using the one step acid treatment. The as-synthesized and purified carbon nanotubes were used in carburizing low carbon steel (AISI 1018) at two austenitic temperatures of 750oC and 800oC and varying periods of 10-50 minutes while amorphous carbon obtained by pulverizing coal was also used as comparison. The mild steel samples were carburized with carbon nanotubes and amorphous carbon in a laboratory muffle furnace with a defined number of boost and diffusion steps. The carburizing atmosphere consisted of heating up to the varying temperatures at a speed of 10oC/minute, heating under this condition at varying periods, performing a defined number of boost and diffusion processes at the varying temperatures and cooling to room temperatures under the same condition. The carburized surfaces were observed with the Olympus SC50 optical microscope and the hardness distribution of the carburized layer was inspected with a Vickers FM 700 micro-hardness tester. The as-synthesized and purified CNT samples showed higher hardness on the surface of the mild steel than the amorphous carbon. In the same vein, the change in the microstructures of vi the steel samples indicated that good and improved surface hardness was obtained in this work with the reinforcements but with purified CNT having the highest peak surface hardness value of 191.64 ± 4.16 GPa at 800oC, as-synthesized CNT with 177.88 ± 2.35 GPa and amorphous carbon with 160.702 ± 5.79 GPa which are higher compared to the values obtained at 750oC and that of the original substrate which had a surface hardness of 145.188 ± 2.66 GPa. The percentage hardness obtained for the reinforcement with the amorphous carbon, the CNT and the pCNT showed an increase of 5.47%, 10.04% and 15.77% respectively at 750oC when compared to that of the normal substrate carburized without reinforcements. Furthermore, at 800oC, the reinforcement with the amorphous carbon, the CNT and the pCNT show a percentage hardness increase of 7.04%, 14.68% and 22.05% when compared to that of the normal substrate carburized without reinforcements. Comparing the reinforcement potential of the amorphous carbon, the CNT and the pCNT at 750oC, the percentage hardness reveal that using pCNT displayed an increase of 10.89% over that of amorphous carbon and of 6.37% over that of CNT. In addition, the use of CNT as reinforcement at 750oC displayed a percentage hardness increase of 4.83% over that of the amorphous carbon carburized at the same temperature / Civil and Chemical Engineering / M. Tech. (Chemical Engineering)

This work presents a systematic study of the mechanochemical processes leading to chemical reactions occurring due to effects of high-strain-rate deformation associated with uniaxial strain and uniaxial stress impact loading in highly heterogeneous metal powder-based reactive materials, specifically compacted mixtures of Ti/Al/B powders. This system was selected because of the large exothermic heat of reaction in the Ti+2B reaction, which can support the subsequent Al-combustion reaction. The unique deformation state achievable by such high-pressure loading methods can drive chemical reactions, mediated by microstructure-dependent meso-scale phenomena. Design of the next generation of multifunctional energetic structural materials (MESMs) consisting of metal-metal mixtures requires an understanding of the mechanochemical processes leading to chemical reactions under dynamic loading to properly engineer the materials. The highly heterogeneous and hierarchical microstructures inherent in compacted powder mixtures further complicate understanding of the mechanochemical origins of shock-induced reaction events due to the disparate length and time scales involved. A two-pronged approach is taken where impact experiments in both the uniaxial stress (rod-on-anvil Taylor impact experiments) and uniaxial strain (instrumented parallel-plate gas-gun experiments) load configurations are performed in conjunction with highly-resolved microstructure-based simulations replicating the experimental setup. The simulations capture the bulk response of the powder to the loading, and provide a look at the meso-scale deformation features observed under conditions of uniaxial stress or strain. Experiments under uniaxial stress loading reveal an optimal stoichiometry for Ti+2B mixtures containing up to 50% Al by volume, based on a reduced impact velocity threshold required for impact-induced reaction initiation as evidenced by observation of light emission. Uniaxial strain experiments on the Ti+2B binary mixture show possible expanded states in the powder at pressures greater than 6 GPa, consistent with the Ballotechnic hypothesis for shock-induced chemical reactions. Rise-time dispersive signatures are consistently observed under uniaxial strain loading, indicating complex compaction phenomena, which are reproducible by the meso-scale simulations. The simulations show the prevalence of shear banding and particle agglomeration in the uniaxial stress case, providing a possible rationale for the lower observed reaction threshold. Bulk shock response is captured by the uniaxial strain meso-scale simulations and is compared with PVDF stress gauge and VISAR traces to validate the simulation scheme. The simulations also reveal the meso-mechanical origins of the wave dispersion experimentally recorded by PVDF stress gauges.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Spritzgießwerkzeug mit einem neuartigen Mehrschichtverbundheizsystem zur dynamischen Temperierung entwickelt und umgesetzt. Dabei wurde das ausgewählte Heiz‐ und Kühlsystem unter theoretischen und praktischen Gesichtspunkten betrachtet und für den variothermen Fertigungsprozess verifiziert. Aus den ersten durchgeführten praktischen Versuchen zeigte sich, dass dieses Heizsystem zur dynamischen Temperierung von Formwerkzeugen geeignet ist. Anschließend wurden mit dem realisierten Spritzgießwerkzeug Versuchskörper mit spezieller Oberflächenstrukturierung und variierenden Werkzeugwandtemperaturen angefertigt und untersucht. Ziel war es, über diese Strukturierung eine Beeinflussung der Glasfaserverteilung im Formteilrandbereich zu erreichen und die tribologischen Eigenschaften bei Kunststoff‐Kunststoff‐Gleitpaarungen hinsichtlich Reibung und Verschleiß zu verbessern. Mit einer kleinen Auswahl an Strukturen und entsprechenden thermoplastischen Polymermaterialien wurden praktische Versuche zur tribologischen Prüfung durchgeführt. / In the present work an injection mould was developed and implemented with a novel multilayer composite heating system for dynamic temperature control. Here the selected heating and cooling system was considered from a theoretical and practical point of view and verified for the variothermal manufacturing process. The first practical tests showed that this heating system is suitable for the dynamic temperature control of tools. Subsequently, with this injection mould, test specimens with a special surface structure and varying mould wall temperatures were produced and examined. The aim was to achieve through this structuring an impact on the distribution of glass fibres in the edge region of mouldings and improve the tribological properties of plastic‐plastic‐pairings in terms of friction and wear. With a small selection of structures and corresponding thermoplastic polymeric materials practical experiments for tribological testing were performed.

Ce travail porte sur la compréhension de l’impact de la microstructure sur les performances des Cellules à Oxyde Solide (SOC), avec une illustration sur l’électrode à oxygène en LSCF-CGO. Une approche couplant de la modélisation géométrique et électrochimique a été adoptée pour cet effet. Le modèle des champs aléatoires plurigaussiens et un autre basé sur des empilements de sphères ont été développés et adaptés pour les microstructures des SOCs. Ces modèles 3D de géométrie stochastique ont été ensuite validés sur différentes électrodes reconstruites par nano-holotomographie aux rayons X au synchrotron ou par tomographie avec un microscope électronique à balayage couplé à une sonde ionique focalisée. Ensuite, des corrélations semi-analytiques ont été proposées et validées sur une large base de microstructures synthétiques. Ces relations permettent de relier les paramètres ‘primaires’ de l’électrode (la composition, la porosité et les diamètres des phases) aux paramètres qui pilotent les réactions électrochimiques (la densité de points triples, les surfaces spécifiques interphases) et sont particulièrement pertinents pour les équipes de mise-en-forme des électrodes qui ont plus de contrôle sur ce premier ensemble de paramètres. Concernant la partie portant sur l’électrochimie, des tests sur une cellule symétrique en LSCF-CGO ont permis de valider un modèle déjà développé au sein du laboratoire, et qui permet de simuler la réponse électrochimique d’une électrode à oxygène à partir des données thermodynamiques et de microstructure. Finalement, le couplage des deux modèles validés a permis d’étudier l’impact de la composition des électrodes, leur porosité ou encore taille des grains sur leurs performances. Ces résultats pourront guider les équipes de mise-en-forme des électrodes vers des électrodes plus optimisées. / This work aims at better understanding the impact of Solid Oxide Cells (SOC) microstructure on their performance, with an illustration on an LSCF-CGO electrode. A coupled 3D stochastic geometrical and electrochemical modeling approach has been adopted. In this frame, a plurigaussian random field model and an in-house sphere packing algorithm have been adapted to simulate the microstructure of SOCs. The geometrical models have been validated on different electrodes reconstructed by synchrotron X-ray nano-holotomography or focused ion-beam tomography. Afterwards, semi-analytical microstructural correlations have been proposed and validated on a large dataset of representative synthetic microstructures. These relationships allow establishing the link between the electrode ‘basic’ parameters (composition, porosity and grain size), to the ‘key’ electrochemical parameters (Triple Phase Boundary length density and Specific surface areas), and are particularly useful for cell manufacturers who can easily control the first set of parameters. Concerning the electrochemical part, a reference symmetrical cell made of LSCF-CGO has been tested in a three-electrode setup. This enabled the validation of an oxygen electrode model that links the electrode morphological parameters to its polarization resistance, taking into account the thermodynamic data. Finally, the coupling of the validated models has enabled the investigation of the impact of electrode composition, porosity and grain size on the cell electrochemical performance, and thus providing useful insights to cell manufacturers.

La chaîne pan-africaine du Hoggar et de l'Adrar des Iforas résulte de la collision du craton ouest-africain et de la zone mobile Pan-Africaine. Au Mali, on y reconnaît la zone de suture, un arc insulaire, un batholite et la zone centrale de l'Adrar des Iforas qui a connu une évolution complexe antérieure à la collision. C'est cette zone qui fait l'objet de ce mémoire et qui a été cartographiée. Les principales unités lithostratigraphiques présentes sont: - l'unité granulitique des Iforas (UGI) à métamorphisme éburnéen , recoupée par des filons doléritiques pré-panafricains et recouverte de sédiments discordants attestant qu'elle affleurait avant l'orogenèse pan-africaine; - des métasédiments de marge passive du Protérozoïque moyen et supérieur; - des métasédiments volcano-détritiques du Protérozoïque terminal; - un ensemble gneissique (assemblage kidalien) résultant du métamorphisme et de la déformation des deux premières unités et d'intrusifs pré-tectoniques déformés en conditions profondes. Pendant la phase de déformation D1, l'UGI et sa couverture autochtone à allochtone du protérozoïque supérieur sont charriées sur l'assemblage kidalien. Les structures, microstructures et la zonéographie du métamorphisme lié à D1 suggèrent un mouvement des nappes du SSW vers le NNE. La succession d'un métamorphisme de pression intermédiaire (D1a) puis de haute température (D1b) est attribuée à un mécanisme de redoublement des isothermes lié à la superposition des nappes. Les phases suivantes sont interprétées en termes de plis de serrage (D2) et de décrochement (D3). Ainsi, les grandes zones mylonitiques sub-méridiennes et subverticales qui caractérisent le Hoggar et l'Adrar des Iforas sont le résultat pour certaines de la superposition de ces trois phases. L'âge de la phase D1 est incertain et pourrait se situer autour de 700 Ma. Les phases D2 et D3 commenceraient à 610-600 Ma pour s'achever vers 535 Ma. Une simulation en élasticité de la collision a été réalisée. Elle confirme les relations entre les phases D2 et D3 et la collision de la zone mobile pan-africaine avec le craton ouest- africain et rend compte de la rotation des directions de raccourcissement en fonction du temps. Elle ne permet pas cependant d'intégrer la déformation D1 dans un processus continu avec D2 et D3 et appuie l'hypothèse de l'antériorité de la tectonique tangentielle par rapport à la collision. Une revue comparative des autres régions du Hoggar en Algérie montre l'existence d'une tectonique tangentielle post-éburnéenne mais anté-pan-africaine. Des études géochronologiques et cinématiques restent nécessaires pour connaître la succession de ces tectoniques dans le temps et leurs directions de raccourcissement. Le bouclier touareg reste le champ d'action idéal pour étudier les modalités de remobilisation des socles.

No description available.