Cette étude s'intègre dans le cadre d'un développement accru de nouvelles techniques de contrôle non destructif des matériaux magnétiques basées sur les phénomènes de couplage magnéto-mécanique. L'objectif est de promouvoir des méthodes originales de mesure des propriétésmagnétiques permettant d'évaluer quantitativement l'état thermo-métallurgico-mécanique d'un matériau par une simple identification inverse.Nous proposons dans ce document un modèle magnéto-mécanique couplé dit modèle multidomaine compatible avec la procédure de contrôle magnétique. Ce modèle analytique permet de simuler le comportement magnétique et magnétostrictif d'un matériau magnétique soumis à un chargement mécanique unidirectionnel. Il a montré une bonne adaptabilité à des états de contraintes et structures magnétiques variées. Le modèle multidomaine a pu être validé dans le cas d'un chargement élastique uniaxial et multixial par un simple recours à une contrainte équivalente magnéto-mécanique. Il a pu également intégrer les éléments nécessaires à la modélisation de l'influence de la plasticité sur l'état magnétique. La plasticité est introduite via un état de contrainteinterne caractérisant une structure hétérogène biphasée. Des corrélations intéressantes entre variables d'écrouissage macroscopiques et propriétés magnétiques ont été élaborées et l'approche a été validée sur un acier dual phases.Nous nous sommes enfin intéressées à a mise en place d'un protocole expérimental novateur assurant un suivi continuel du comportement piézomagnétique du matériau au cours d'un essai de fatigue. Cette technique permet d'estimer la limite d'endurance des matériaux magnétiques. / This study is within a recent research largely motivated by the possibility of development of new non-destructive techniques based on the magneto-mechanical coupling. Thus, the issue is to propose original magnetic methods allowing a quantitative evaluation of the thermo-metallurgicomechnical state of ferromagnetic materials by a simple inverse identification.We propose in this document a coupled magneto-mechanical modeling called multidomain modeling suitable for the non-destructive process. This model is able to simulate magnetic and magnetostrictive behaviors of materials submitted to an uniaxial mechanical loading. It exhibits an adaptability to various mechanical states and magnetic structures. Multidomain modeling provides good results in the case of elastic loading either uniaxial or multiaxial by the use of an equivalent stress. It can also integrate the key elements for modeling the effect of plasticity on the magneticbehavior. Plasticity is introduced through internal stress characterizing heterogenous biphasic structure. Interesting correlations between macroscopic hardening parameters and magnetic properties are shown and the plasticity approach is confirmed by experiments carried out on a dual phase steel.Finally, we propose an experimental protocol allowing in situ continuous investigation of the piezomagnetic behavior during fatigue test. This experimental technique permits the estimation of fatigue limit of ferromagnetic materials.

Cette thèse porte sur la propagation des ondes magnéto-électro-élastiques dans les structures inhomogènes, et tout particulièrement de l’effet d’un champ magnétique externe sur des structures multicouches et des cristaux phononiques combinant des matériaux à la fois piézoélectriques et magnéto-élastiques. Pour déterminer les caractéristiques des ondes se propageant dans ces structures magnéto-électro-élastiques, un modèle de matériau piézomagnétique équivalent à un matériau magnéto-élastique en couche mince, polarisé à saturation autour d’une position d’équilibre définie par l’orientation et l’amplitude d’un champ magnétique externe appliqué à celui-ci, est développé. Il est combiné à une méthode originale de calcul des courbes de dispersion dans les multicouches, basée sur une décomposition en polynômes de Legendre pour les couches d’épaisseur finie, et en polynômes de Laguerre pour le substrat semi-infini. Ce modèle est utilisé pour le cas d’un film mince de TbCo2/FeCo, présentant une anisotropie magnétique uni-axiale dans le plan et une magnétostriction géante, déposé sur un substrat de LiNbO3 sous forme de film ou en réseau de plots cylindriques. On montre que dans ce dernier cas, correspondant à un cristal phononique magnéto-élastiques à résonance locale, il est possible de contrôler sans aucun contact la structure de bande par l’application d’un champ magnétique externe. Ainsi, une sensibilité de 50 kHz par Oersted a été calculée pour une bande plate située dans le gap de Bragg d’un tel cristal phononique. Cette sensibilité est suffisante pour envisager une application du dispositif comme un détecteur très sensible de champs magnétiques localisés / This thesis focuses on the propagation of magneto-electro-elastic waves in inhomogeneous structures, and in particular the effect of an external magnetic field on multilayer structures and on phononic crystals that combine both piezoelectric and magneto-elastic materials. To determine the characteristics of waves propagating in magneto-electro-elastic structures, an effective piezomagnetic material model, equivalents to a thin layer of magneto-elastic material, is developed. The thin layer is polarized to saturation around the equilibrium position defined by the direction and amplitude of an external magnetic field. This model is combined with a method of dispersion curves calculation in multilayer structures, based on a decomposition in Legendre polynomials for layers of finite thickness and Laguerre polynomials for a semi-infinite substrate. The model is used for the case of a TbCo2/FeCo thin film, presenting an in plane uniaxial magnetic anisotropy and a giant magnetostriction, deposited as a film, or as a lattice of cylinders, on a substrate of LiNbO3. It is shown that in the latter case, corresponding to a local resonance magneto-elastic phononic crystal, it is possible to control, without any contact, the band structure by applying an external magnetic field. Thus, a sensitivity of 50kHz by Oersted was calculated for a flat band located in Bragg band gap for such phononic crystal. This sensitivity is sufficient to enable the use of this device as a sensitive detector of localized magnetic fields

Les travaux de recherche discutés dans ce manuscrit concernent la conception des générateurs de puissance électrique pour l'aéronautique. L'augmentation de la puissance massique de ces équipements passe par une augmentation des vitesses de rotation, donc une augmentation des contraintes. Un premier point est de s'assurer de la bonne tenue mécanique des matériaux. Un deuxième point est de pouvoir prendre en compte les modifications du comportement magnétique (et donc in fine du couple) lorsqu'ils sont soumis à un état de contraintes multiaxial. L'étude présentée vise en particulier à illustrer l'influence d'états de contraintes biaxiaux sur le comportement magnétique des matériaux constitutifs du rotor. Le défi repose sur la mise en place de méthodes de caractérisation du comportement magnéto-mécanique dissipatif uniaxial et multiaxial des nuances développées par Aperam et utilisées par Thales Avionics pour leurs applications aéronautiques (en FeCo-2V et Fe-3%Si à grains non orientés). Des essais non conventionnels seront effectués sur des échantillons en forme de croix de manière à s'approcher des contraintes réellement subies par le rotor. Les essais sont effectués sur la machine d'essai triaxiale Astrée du LMT-Cachan. L'état de contraintes est estimé par corrélation d'images et par diffraction des rayons X. Des mesures magnétiques anhystérétiques, du champ coercitif et des pertes d'énergie sous contraintes sont reportées. D'autre part, un modèle multi-échelle multiaxial, décrivant le comportement d'un VER (volume élémentaire représentatif) à partir de l'équilibre énergétique à l'échelle microscopique est présenté. L'approche est fondée sur la comparaison des énergies libres de chaque domaine. Une comparaison probabiliste est faite pour déterminer les variables internes que sont les fractions volumiques des domaines. Différentes stratégies envisageables pour modéliser la dissipation statique sont discutées. Puis nous présentons l'approche magnéto-élastique que nous avons retenue visant à une meilleure considération de l'effet de la contrainte sur le comportement des matériaux ferromagnétiques.

Les travaux de recherche discutés dans ce manuscrit concernent la conception des générateurs de puissance électrique pour l'aéronautique. L’augmentation de la puissance massique de ces équipements passe par une augmentation des vitesses de rotation, donc une augmentation des contraintes. Un premier point est de s'assurer de la bonne tenue mécanique des matériaux. Un deuxième point est de pouvoir prendre en compte les modifications du comportement magnétique (et donc in fine du couple) lorsqu'ils sont soumis à un état de contraintes multiaxial. L’étude présentée vise en particulier à illustrer l’influence d'états de contraintes biaxiaux sur le comportement magnétique des matériaux constitutifs du rotor. Le défi repose sur la mise en place de méthodes de caractérisation du comportement magnéto-mécanique dissipatif uniaxial et multiaxial des nuances développées par Aperam et utilisées par Thales Avionics pour leurs applications aéronautiques (en FeCo-2V et Fe-3%Si à grains non orientés). Des essais non conventionnels seront effectués sur des échantillons en forme de croix de manière à s'approcher des contraintes réellement subies par le rotor. Les essais sont effectués sur la machine d'essai triaxiale Astrée du LMT-Cachan. L'état de contraintes est estimé par corrélation d'images et par diffraction des rayons X. Des mesures magnétiques anhystérétiques et de pertes d'énergie sous contraintes sont reportées. D'autre part, un modèle multi-échelle multiaxial, décrivant le comportement d’un VER à partir de l'équilibre énergétique à l'échelle microscopique sera présenté. L’approche est fondée sur la comparaison des énergies libres de chaque domaine. Une comparaison probabiliste est faite pour déterminer les variables internes que sont les fractions volumiques des domaines. Différentes stratégies envisageables pour modéliser la dissipation statique seront discutées. Puis nous présentons l’approche magnéto-élastique que nous avons retenue visant à une meilleure considération de l’effet de la contrainte sur le comportement des matériaux ferromagnétiques. / The research presented in this thesis is motivated by the design of rotors for high speed rotating machines. The increased power density of these devices requires a higher rotation speed, leading to higher levels of centrifugal forces and stress in the rotor. A first point is to ensure good mechanical strength of the materials. A second point is to take into account changes in the magnetic behavior (and ultimately torque) when they are subjected to a multiaxial stress state. The present study aims at exploring the influence of biaxial stress states on the magnetic behavior of the materials of the rotor. The challenge lies in the development of methods for the characterization of the magneto-mechanical dissipative uniaxial and multiaxial behavior of metal sheets developed by Aperam Alloy and used by Thales Avionics for their aeronautical applications (in FeCo-2V and non-oriented Fe-3%Si). Non conventional experiments are performed on cross-shaped samples in order to apply biaxial stress representative of the loadings experienced by rotors of rotating machines. These experiments are performed on a multiaxial testing machine, Astrée. Stress level is estimated thanks to digital image correlation and X-ray diffraction Both anhysteretic and dissipative magnetic responses to magneto-mechanical loadings have been recorded. On the other hand, a multi-scale multiaxial model describing the behavior of a RVE from the energy balance at the microscopic scale is presented. The approach is based on a comparison of the free energy of each domain. A probabilistic comparison is made to determine the volume fraction of domains used as internal variables. Different strategies for modeling the static dissipation are discussed. Then we present the chosen magneto-elastic approach, improving the description of the effect of stress on ferromagnetic materials behavior.