Ce travail de thèse vise à une meilleure compréhension et prise en compte des mécanismes d'endommagement ductile au cours des procédés de mise en forme à froid. Le tréfilage, le laminage de fils et le laminage à pas de pèlerin sont pris comme exemples d'application. Une grande attention est portée également à la méthodologie d'identification des paramètres des modèles d'endommagement implémentés. Trois approches de l'endommagement ductile ont été étudiées : des critères de rupture phénoménologique, des modèles phénoménologiques couplés et des modèles micromécaniques. Ces modèles ont été implémentés dans Forge®, et les algorithmes ont dû être adaptés à sa formulation mixte vitesse-pression et à son élément fini (P1+/P1). Parallèlement aux développements numériques, différents essais mécaniques ont été effectués sur trois matériaux différents (acier haut carbone, acier inoxydable et alliage de zirconium) pour identifier les paramètres des modèles d'écrouissage et d'endommagement. Des essais de traction in situ sous micro-tomographie aux rayons X ont été exploités pour l'identification des mécanismes d'endommagement ductile (germination, croissance et coalescence), ainsi que l'identification du modèle micromécanique. Enfin, la dernière partie de ce travail a consisté à réaliser des études comparatives de ces différents modèles d'endommagement pour les différents procédés de mise en forme et différents matériaux. Concernant le tréfilage et le laminage de l'acier inoxydable, un bon accord entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux a été obtenu. Pour l'acier à haute teneur en carbone (perlitique), le modèle micro-mécanique GTN a donné le meilleur résultat à la fois qualitativement et quantitativement pour le tréfilage ultime. Par ailleurs, la comparaison entre les différents modèles sur différents procédés (laminage du fil avec l'acier haut carbone, laminage à pas de pèlerin avec l'alliage de zirconium) a aidé d'une part à mettre en évidence le rôle important du troisième invariant de la contrainte déviatorique sur la localisation de l'endommagement dans les procédés de mise en forme où le cisaillement est dominant. D'autre part, elle montre que le processus d'identification lui-même devrait se fonder sur la mesure de la microstructure afin de garantir un résultat précis lors de l'application aux procédés.

Cette recherche s???attarde ?? comprendre l???effet des diff??rents param??tres sur la mise en forme courb??e de conduits en mat??riaux composites thermodurcissables pour y d??terminer les meilleurs param??tres ?? utiliser dans le but de r??duire les bris et de conserver le plus possible la forme ainsi cr????e. Parmi ceux-ci, il est question des param??tres de fabrications du conduit, de sa polym??risation, de son r??chauffement avant la mise en forme courb??e et de sa mise en forme elle-m??me. Pour comprendre l???effet des diff??rents param??tres, des tests m??caniques (traction, compression), thermom??caniques (DSC, DMA) et de relaxation de contrainte ?? l???aide d???une instrumentation avec des jauges de d??formation sont effectu??s. Ceux-ci r??v??lent des ajustements ?? apporter pour permettre un meilleur contr??le du proc??d??. Entre autres, le taux de polym??risation, l???angle d???orientation des fibres et la temp??rature de mise en forme sont les principaux facteurs importants pris en compte. En effet, la recherche r??v??le que plus la temp??rature de mise en forme courb??e est pr??s de la temp??rature de transition vitreuse du composite moins la forme courb??e ?? tendance ?? se conserver. Cela est similaire avec l???orientation des fibres, plus elles sont orient??es circonf??rentiellement plus ce probl??me est de taille. De plus, le taux de polym??risation a un impact consid??rable sur la d??formation maximale et sur la rigidit?? ?? haute temp??rature.

L'élaboration de céramiques polycristallines transparentes constitue un défi technologique important. Les matériaux transparents actuellement utilisés (verres ou monocristaux) possèdent des propriétés mécaniques (dureté, résistance à l'usure) et physico-chimiques (résistance à la corrosion) moins intéressantes que celles des céramiques polycristallines. Par ailleurs, le coût de production de ces dernières est inférieur à celui des monocristaux. Les deux principaux paramètres à contrôler afin d'augmenter les propriétés optiques de l'alumine alpha polycristalline sont sa porosité, comme pour tout matériau transparent, et sa taille de grains, du fait de sa biréfringence. Aussi on cherchera à obtenir après frittage un matériau possédant une très faible porosité (inférieure à 0,05%) avec une distribution fine en taille de pores centrée sur des porosités nanométriques, et une taille de grains très fine (plus grand que 0,5 µm). Actuellement, cette microstructure particulière est obtenue en ~ 15 heures en combinant un frittage naturel suivi d'un traitement par Hot Isostatic Pressing (HIP). La technique de Spark Plasma Sintering (SPS) utilisée dans cette étude permet d'obtenir des céramiques denses possédant une microstructure fine en des temps plus courts. Premièrement, un protocole d'élaboration d'une alumine pure transparente a été mis au point. Il repose sur la préparation de crus à microstructure contrôlée avant l'étape de frittage. Principalement, ils doivent présenter une distribution fine en taille de pores avec un empilement particulaire macroscopique homogène dépourvu d'agglomérats. Le cycle de frittage SPS a également été optimisé afin d'obtenir les meilleures transmissions optiques possibles. Ensuite, un protocole de dopage par des inhibiteurs de croissance de grains a été optimisé. La nature du sel dopant influe au second ordre sur les propriétés optiques des échantillons par rapport à une calcination préalable au frittage. La nature et/ou la quantité de dopant induisent un décalage plus ou moins important de la densification vers les hautes températures. Le cycle de frittage SPS doit donc être adapté en conséquence. Le taux de dopant doit être optimisé afin d'obtenir une microstructure fine après frittage sans présence de particules de seconde phase. Différents dopants ont été comparés (magnésium Mg, lanthane La et zirconium Zr) et l'échantillon possédant les meilleures propriétés optiques a été obtenu grâce à un dopage à 200 cat ppm de lanthane. Des optimisations au niveau de la morphologie des poudres (plus fines et plus sphériques) et de la préparation des suspensions d'alumine alpha dopées au lanthane (lavage par centrifugation) ont permis d'obtenir l'un des meilleurs échantillons d'alumine transparente reporté dans la littérature. Il possède une transmission optique de 68% et une taille de grains de l'ordre de 300 nm. Ses propriétés mécaniques (dureté, résistance à l'abrasion) sont supérieures à celles d'un monocristal de saphir.

Le thixoforgeage est un procédé de mise en forme innovant permettant l'élaborationde pièces complexes à l'état semi-solide. Il nécessite moins d'opérations et des efforts plusfaibles que les autres procédés de mise en forme plus classiques. L'objectif de ce travail et decaractériser la microstructure de plusieurs nuances d'acier à chaque étape du procédé afin demieux comprendre l'influence des différents paramètres et mécanismes de déformation, car lamicrostructure à l'état semi-solide, et en particulier la fraction de liquide, est très importante.Plusieurs techniques 2D et 3D (analyses MEB-EDS, CSLM, microtomographie X) ont étéutilisées pour évaluer la fraction de liquide des aciers étudiés (M2, C38LTT et 100Cr6). Lesrésultats obtenus pour l'acier M2 montrent une bonne corrélation entre les observations 2DMEB-EDS et les analyses 3D en microtomographie après trempe, ce qui indique que ces deuxtechniques sont très efficaces pour caractériser l'état semi-solide des aciers fortement alliés. Lemicroscope CSLM est utilisé quant à lui pour observer directement l'état semi-solide à hautetempérature : apparition du liquide, processus de solidification etc. Des essais de thixoforgeageont ensuite été réalisés pour étudier l'influence des différents paramètres du procédé sur lamicrostructure, la géométrie finale des pièces, les écoulements de matière etc. Après avoiranalysé la microstructure des pièces thixoforgées, des mécanismes permettant d'expliquer lesécoulements de matière sont proposés. Qui plus est, la comparaison avec la simulation duprocédé de forgeage à chaud montre que ces écoulements sont très différents, ce qui est dû aucomportement du matériau. Ce dernier est très sensible aux paramètres du procédé : il estdonc nécessaire de bien maîtriser et contrôler toutes les étapes lors de la mise en forme.

La mise en forme de lumière blanche incohérente à l’aide d’un nouveau composant est proposée dans cette thèse. L'objectif était de réaliser une carte d'irradiance arbitraire sur un écran à l’aide d’une structure originale contenant seulement des facettes, légèrement inclinées par rapport à la direction d'origine selon leurs axes propres. Une approche basée sur l’optique géométrique a été utilisée pour concevoir et analyser la structure proposée. Celle-ci est constituée d’une matrice de facettes jouant le rôle de déflecteur. Nous avons étudié le cas en transmission et en réflexion. L’obtention des angles d’inclinaison s’est faite avec deux approches différentes : l'optimisation sous Zemax et le calcul analytique. Plusieurs critères de qualité ont été proposés pour comparer la carte d'irradiance. Le tolérancement a démontré qu’il est plus intéressant de travailler en transmission qu’en réflexion. Une réalisation a été faite avec succès en utilisant une technologie additive innovante. / Beam shaping of incoherent white light with a large spectrum is proposed in this PhD thesis. The objective was to realize an arbitrary irradiance map on a target plane using a faceted structure. To maintain the design result within the geometrical optics domain, large facet element dimensions are required to obtain usable results. Each facet element can slightly tilt along its own axes to deflect the incident light, either by reflection, either by transmission. The calculation of the tilt angles is made by an analytical approach, and also by automatic optimization with Zemax. Several quality factors are proposed in order to qualify the illumination/irradiance chart on the screen. Because of the required tolerances on the fabrication technique, we show that it is more interesting to design a transmissive structure than a reflective one. With a new additive technology, a structure is realized successfully, showing the interest of the concept.

Le thixoforgeage est un procédé de mise en forme innovant permettant l'élaborationde pièces complexes à l'état semi-solide. Il nécessite moins d'opérations et des efforts plusfaibles que les autres procédés de mise en forme plus classiques. L'objectif de ce travail et decaractériser la microstructure de plusieurs nuances d'acier à chaque étape du procédé afin demieux comprendre l'influence des différents paramètres et mécanismes de déformation, car lamicrostructure à l'état semi-solide, et en particulier la fraction de liquide, est très importante.Plusieurs techniques 2D et 3D (analyses MEB-EDS, CSLM, microtomographie X) ont étéutilisées pour évaluer la fraction de liquide des aciers étudiés (M2, C38LTT et 100Cr6). Lesrésultats obtenus pour l'acier M2 montrent une bonne corrélation entre les observations 2DMEB-EDS et les analyses 3D en microtomographie après trempe, ce qui indique que ces deuxtechniques sont très efficaces pour caractériser l'état semi-solide des aciers fortement alliés. Lemicroscope CSLM est utilisé quant à lui pour observer directement l'état semi-solide à hautetempérature : apparition du liquide, processus de solidification etc. Des essais de thixoforgeageont ensuite été réalisés pour étudier l'influence des différents paramètres du procédé sur lamicrostructure, la géométrie finale des pièces, les écoulements de matière etc. Après avoiranalysé la microstructure des pièces thixoforgées, des mécanismes permettant d'expliquer lesécoulements de matière sont proposés. Qui plus est, la comparaison avec la simulation duprocédé de forgeage à chaud montre que ces écoulements sont très différents, ce qui est dû aucomportement du matériau. Ce dernier est très sensible aux paramètres du procédé : il estdonc nécessaire de bien maîtriser et contrôler toutes les étapes lors de la mise en forme. / The thixoforging process is an innovative forming process for the manufacturing ofcomplex parts in the semi-solid state, in fewer forming steps and with a decreased formingforce. The objective of this work is to characterize the microstructure of different steel grades ateach step of the thixoforging process in order to better understand the influence of the processparameters and the mechanisms of deformation, as the microstructure of the material in thesemi-solid state, especially the volume fraction of liquid, is very important. Several 2D and 3Dtechniques (SEM-EDS analyses, CSLM, X-ray microtomography) have been used to evaluatethe liquid fraction of various steel grades (M2, C38LTT and 100Cr6). The results for M2 steelshow a good agreement between 2D SEM - EDS observations and 3D X-ray microtomographyafter quenching, which proves that both techniques are efficient in characterizing high-alloyedsteels in the semi-solid state. The CSLM technique is used to observe the microstructuredirectly at high temperature, with the apparition of liquid and the solidification. Thixoforgingexperiments are finally performed in order to study the influence of the process parameters onthe microstructure: the final part geometry, the material flow etc. After analyzing themicrostructure of the thixoforged parts, some mechanisms of material flow are proposed.Moreover, by comparing the results between the thixoforging experiments and the hot forgingsimulations, it is found that the material flow is very different from that of hot forging process,which results from the material behavior. The latter is very sensitive to the process parameters;an accurate process control is necessary.

La course à la miniaturisation entraine une forte hausse de la demande encomposants aux dimensions submillimétriques et donne un essor considérable aux procédés de micro-formage. Cependant le comportement mécanique des tôles ultrafines, employées dans ces procédés présente des singularités liées à la réduction du nombre de grains. Cette thèse a eu pour objet de mettre en place un outil d’aide à la prédiction du comportement mécanique des tôles ultrafines.Expérimentalement, le comportement de deux alliages de cuivre, le CuBe2 et le CuFe2P, a été caractérisé sous divers types de chargement. Diverses caractéristiques ont été mises en évidence, notamment l’anisotropie de la réponse mécanique, l’effet Bauschinger ou encore ladégradation du module de Young.Afin d’obtenir un cadre de modélisation apte à la description de tôles présentant un comportement plus ou moins homogène, deux approches ont été retenues. La première consiste en une modélisation phénoménologique inspirée des observations macroscopiques. La seconde est une description, en plasticité cristalline, à l’échelle du grain du comportement mécanique, basée sur les mécanismes physiques de déformation. Les modèles retenus ont été intégrés dansles logiciels ABAQUS et SiDoLo dans le formalisme des grandes transformations. Des stratégies d’identification paramétrique des différents modèles sont développées et une analyse comparative de l’impact de l’identification sur les prévisions des modèles est proposée.Enfin les approches développées sont mises en oeuvre sur des procédés industriels et des tests académiques. Une étude sur des facteurs influençant la prédiction du retour élastique estréalisée. Elle a montré qu’une attention particulière doit être portée à la modélisation de l’élasticité. / The on-going trend on device miniaturization has increased the demand forminiature parts and boosted micro forming processes. However, the mechanical behavior of ultra-thin sheet metals is subjected to certain peculiarities which are driven from the reduced number of grains in the sheets. The present work aimed to provide a numerical tool for the prediction of the mechanical behavior of ultra-thin sheet metals. The mechanical behavior of two copper alloys, CuBe2 and CuFe2P, was experimentally characterized through several strain paths. Various characteristics have been revealed, such as the anisotropic response, Bauschinger effect and the decrease of the Young modulus.In order to build a modeling frame capable of describing thin metal sheets which exhibit a highly heterogeneous behavior and those whose response is more homogeneous, two modeling approaches were considered. On one hand, a phenomenological model based on the experimental results is chosen. On the other hand, a crystal plasticity based model, which takes into account the physical deformation mechanisms, is adopted. Both models were implementedin ABAQUS and SiDoLo softwares, under the finite strain formalism. Parametric identification strategies are devised and the influence of calibration on models performance is assessed.Ultimately, the modeling approaches were applied to the simulation of industrial processes and academic tests. A numerical study on relevant parameters for the prediction of springback has been performed. The accurate modeling of elasticity proved highly influential.

L'augmentation du niveau de CO2 atmosphérique est un sujet de préoccupation publique notoire. Afin d'atténuer son impact sur l'environnement, il est urgent de réduire les émissions de CO2 d’origines anthropiques. Une méthode considérée comme viable est la capture de CO2 par des procédés d’adsorption en utilisant une classe émergente de matériaux, les Metal-Organic Frameworks (MOFs). A ce jour, l’évaluation des MOFs s’est principalement axée sur leurs performances de séparation (capacité, sélectivité et régénération). Cependant, des facteurs externes peuvent influer sur les performances globales des procédés. L’objectif de cette thèse est d’évaluer trois d’entre eux : la présence de vapeur d’eau dans les effluents gazeux, l’effet de la mise en forme des matériaux et l’effet d’une pression mécanique externe sur les performances d’adsorption de gaz. Il est montré que ces facteurs externes peuvent être utilisés pour améliorer les performances des procédés dans des conditions spécifiques. / The increase in atmospheric CO2 level is a notorious matter of public concern. To mitigate its impact on the environment, it is urgent to reduce emissions of anthropogenic CO2. A method considered by many as a viable option is CO2 capture by adsorption using an emerging class of materials, the Metal-Organic Frameworks (MOFs). To date, evaluation of MOFs has been mainly focused on the separation performance of the material looking at the capacity, selectivity and regeneration capability. However external factors can influence the overall performances of processes turning to industrial applications. The purpose of this thesis was to evaluate three of them: the presence of water vapor in post-combustion flue gases, the effect of shaping powders into pellets form and the effect of an external mechanical pressure on gas adsorption performance. Unexpectedly, it is shown that these external factors could be used to improve process performances under specific conditions.

Dans de nombreux domaines de la physique, la mesure de la position d'un objet dans l'espace-temps est faite par échange d'impulsions lumineuses. Dans cette thèse, nous étudions les limites quantiques dans l'estimation d'un paramètre à l'aide de la lumière, et nous nous intéressons à ces limites dans une mesure de distance à l'aide de peignes de fréquences optiques. Dans un premier temps, nous étudions les limites générales d'une estimation de paramètre données par la limite de Cramér-Rao quantique. En particulier, nous présentons la limite de sensibilité dans une estimation faite à l'aide d'états Gaussiens multimodes et démontrons qu'il est possible d'atteindre la limite théorique à l'aide d'un montage expérimental simple. Dans un deuxième temps, nous appliquons cette limite au problème de positionnement dans l'espace-temps à l'aide de peignes de fréquence. Dans un environnement contrôlé tel que le vide, nous montrons que la sensibilité optimale dépasse celle d'un montage interférométrique ou de temps de vol et peut être obtenue à l'aide de techniques de mise en forme d'impulsion. Nous démontrons expérimentalement la limite quantique standard dans une mesure de distance. Dans un dernier temps, nous étudions comment ce protocole optimal est affecté lorsque la dispersion de l'environnement, par exemple dans l'air, entre en jeu. Nous montrons que la perte d'exactitude due aux fluctuations de l'environnement peut être compensée au prix d'une diminution de la précision. Nous présentons un protocole expérimental pour une mesure en temps réel d'une distance insensible aux perturbations atmosphériques. / In many fields of physics, the determination of the space-time position of an object is performed at high levels of accuracy and precision by the exchange of light pulses. In this thesis, we investigate the quantum limits in a parameter estimation scheme using light in a practical point of view, and we study how these limits apply in a range-finding scheme using optical frequency combs. In a first part, we study the quantum limits in a general parameter estimation problem by the means of the quantum Cramér-Rao bound. We focus on schemes involving multimode Gaussian states and derive the limits of sensitivity in the estimation of any parameter encoded in such states. We show that a simple experimental setup allows to optimally measure the parameter carried by the light. In a second part, we study how these limits apply in a range-finding protocol using optical frequency combs. In a well-controlled environment such as vacuum, we show that there exists an optimal scheme, requiring pulse shaping techniques, which sensitivity is better than the usual phase interferometry and time-of-flight measurements. We present experimental results that exhibits the standard quantum limit in space-time positioning. In the last part, we study the limitations introduced to this optimal scheme when the environment is weakly dispersive, like in air. We demonstrate that the loss of accuracy caused by such environmental fluctuations can be compensated at the expense of a reduced sensitivity. We propose an experimental scheme that allows to perform a real-time ranging measurement immune from atmospheric perturbations, without any knowledge of the values of the environmental parameters.

Malgré des résultats prometteurs, les procédés de mise en forme à grande vitesse sont encore peu utilisés dans l'industrie du fait d'un manque de compréhension du phénomène de Bande de Cisaillement Adiabatique (BCA).<br/>Ce travail présente le développement d'outils numériques permettant la simulation adaptative et l'analyse de BCA dans des procédés 3D de mise en forme à grande vitesse. L'utilisation du modèle ALE-adaptatif séquentiel développé dans le logiciel Forge3 permet pour la première fois la simulation automatique de BCA 3D. L'étude des résultats numériques permet de proposer une description innovante du processus de formation de BCA. Les moyens de calcul requis s'avérant très importants, un nouveau code éléments finis hautement parallèle appelé Forge++ est développé. Ce dernier inclut de nouveaux algorithmes tels que le couplage thermomécanique implicite, la méthode de stabilisation RFB et un recouvrement par patch parallèle pour une meilleure simulation de BCA.