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.

A series of measurements aimed at comparing the magneto-elastic response and non-Joulian properties (magneto-volume) of single crystals of the iron-aluminum alloys Fe_81.8 Al_18.2 with different thermal treatments were per formed; the results of which confirmed net volume expansion in all field orientations. The magnitude of this expansion varied largely across various magnetic field alignments, with a greater than four times larger expansion for fields parallel to the [010] crystal axis than the [100] axis. The magnitude and direction of the change in volumetric expansion from quenched crystals to slow cooled crystals also depended heavily on the orientation of the magnetic field, with reduced magneto-volume responses ranging from ~2.4 to 0.5 times smaller for fields parallel to the [100] and [110] crystal axes respectively. These results present evidence of the non-Joulian effect and places crystals of the iron aluminum alloy Fe_81.8 Al_18.2 within the realm of functional non-Joulian magnets. / Mechanical Engineering

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.