Les propriétés idéales d’un matériau de blindage sont la combinaison d’une extrême dureté pour casserles noyaux des projectiles et d’une grande ductilité pour résister à l’impact et arrêter les fragments du projectile. Or cettecombinaison de propriétés est incompatible avec un matériau unique. Pour pallier ce problème, les concepteurs de blindageassocient un matériau dur (céramique) à un matériau ductile (métal). Une autre solution serait de réaliser un matériauprésentant un gradient de propriétés mécaniques : dans le cas présent, d’une très grande dureté de la face avant à une grandeductilité de la face arrière. Les technologies non conventionnelles de frittage telles que le Spark Plasma Sintering (SPS)permettent d’assembler ou de fritter/assembler des matériaux aux caractéristiques aussi différentes et complémentaires. Ils’agit donc d’étudier les conditions d’assemblage ou de cofrittage de tels matériaux (dans le cas présent, Al2O3 et Ti) ainsique l’influence de la microstructure résultante de l’ensemble sur sa performance balistique.La première partie de ce travail a porté sur la caractérisation de l’alumine et du titane. Cinq poudres d’alumines ontété étudiées d’un point de vue comportement au frittage. Trois d’entre elles sont retenues en raison de leurs microstructuresintéressantes, proches en termes de densité et de taille de grains. Ces alumines ont été caractérisées mécaniquement (dureté,ténacité, résistance à la rupture) et balistiquement pour n’en garder qu’une dans la deuxième partie du travail. Le titane, frittédans les mêmes conditions que l’alumine, a montré qu’il n’avait malheureusement pas les propriétés attendues (absence deductilité).La seconde partie du travail a montré que l’obtention de MGFs sains à partir de Al2O3 et Ti uniquement est délicate,que ce soit avec un intercalaire sous forme de monocouche ou de multicouche. La forte affinité du titane avec l’oxygène(formation d’oxyde ou en insertion) et le carbone (formant des carbures), ainsi que sa réactivité avec l’alumine (produisantdes intermétalliques) rend le MGF fragile et incapable d’accommoder les contraintes résiduelles d’élaboration. L’insertiond’une faible proportion de nickel (plus ductile et moins réactif vis-à-vis de l’oxygène que le titane) dans les composites apermis d’obtenir des MGFs sains, dont le comportement balistique a pu être évalué. / The objective is to improve ballistic performance of armors. A perfect armor combines ductility to resistto the impact and high hardness to stop projectile’s fragments. However, such an association of properties is inconsistent witha single material. The solution is to perform a functionally graded material (FGM) with a ductile metal at the back side of thesample and a hard ceramic on the top side. Non-conventional technologies like Spark Plasma Sintering allow joining orsintering all types of materials with different and additional properties. Furthermore, with this technique, high heating ratescan be achieved, limiting grain growth and resulting in a fine microstructure. The goal is to study joining conditions or cosinteringof such materials (in this case, Al2O3 and Ti), as well as the resulting microstructure on the ballistic efficiency.The first part of the study focused on the characterization of alumina and titanium. Five powders of alumina werestudied from a sintering point of view. Three of which were selected because of their interesting microstructures, close indensities and grain sizes. These ceramics have been characterized mechanically (hardness, toughness and strength) andballistically. One of them is adopted to realize FGM. Titanium, sintered with the same conditions, unfortunately, doesn’t haveexpected properties (absence of ductility).The second part of the work showed that the preparation of FGM without cracks from Al2O3 and Ti only ischallenging, with an interlayer with one or more layers. The strong affinity of Ti with oxygen (formation of oxides orinsertion) with C (forming carbides) and its reactivity with alumina (forming intermetallics) make the FGM brittle and enablethe release of residual stresses during the process. By adding a low amount of nickel (more ductile and less reactive withoxygen and titanium) in composites, FGMs almost without cracks were obtained. The latter were evaluated ballistically.

Ce travail vise à améliorer la compréhension et la modélisation de la rupture des matériaux métalliques à gradient de propriétés. L'application se fait sur des pignons en acier 20MnB5 carbonitrurés insérés dans un "recliner", mécanisme de sécurité des siègesautomobiles. Le traitement de carbonitruration consisteà enrichir en carbone et azote une couche externe despièces en les chauffant dans le domaine austénitiquedans une atmosphère riche en ces deux éléments. Puisles pièces sont trempées afin de déclencher unetransformation martensitique. On obtient ainsi unmatériau à gradient de propriétés, intéressant pour despièces de transmission de puissance comme lesengrenages. Ce projet a commencé par l’analyse de larupture de mécanismes de sièges en test industriel. Celaa confirmé le double comportement à rupture binaire dumatériau : fragile sur une couche externe, ductile àl’intérieur. Un banc d’essai, spécialement conçu pour ceprojet, soumet une dent à un effort latéral jusqu’àrupture complète. Des observations in situ sonteffectuées et la courbe force-déplacement estenregistrée, montrant la diversité de comportement enfonction de la profondeur d'engagement des dents et dela présence ou non de la couche carbonitrurée. Desessais de traction, de flexion 4 points et de cisaillementsur éprouvettes papillons sont utilisés pour mesurer lespropriétés plastiques et calibrer les critères de rupturede la couche carbonitrurée comme de l'acier de base. Laplasticité de Von Mises avec une loi d'écrouissagesimple rend très bien compte de tous ces essaismécaniques. Différents critères de rupture ductile issusde la littérature sont calibrés; ils ne parviennent pas àreprésenter correctement tous les essais réalisés.Un critère plus adapté est donc proposé enconclusion de cette campagne expérimentale. Lasimulation de la rupture dans LS-Dyna est réaliséeavec une technique d'érosion d'éléments dont leslimitations sont discutées. La comparaison avec larupture de dent expérimentale permet d'évaluer lescritères numériques identifiés et d'analyser leslimites actuelles de la simulation, en particulier lanécessité de prendre en compte plus finement àl'avenir le gradient de propriétés mécaniques ainsique les contraintes résiduelles de compression dela couche carbonitrurée. / This work aims at a better understanding and modeling of the failure of gradient metallic materials. It is applied to carbonitrided pinions made out of 20MnB5 steel, inserted in a "recliner", a safety mechanism of automotive seats. Carbonitriding induces high surface hardness while preserving significant core ductility. The experimental analysis of the fracture behavior of seat recliners in an industrial test confirmed the dual failure behavior of the component : brittle external layer, ductile core material. A test bench has been specifically designed for the project: one tooth is submitted to a lateral force until complete failure. In situ observations are performed and the load-displacement curve recorded, showing a variety of behaviors as a function of the teeth engagement depth and of the presence or not of the carbonitrided layer. Experimental tests with various tress states were conducted to measure plastic properties as well as to calibrate fracture criteria, for the carbonitrided layer and for the core steel. Von Mises plasticity and a simple strain hardening curve fit very well all these experiments. As fracture criteria from the literature were unable to predict failure correctly for all the mechanical tests, an adapted criterion has therefore been proposed as an outcome of this extensive mechanical testing campaign. Fracture simulation in LS Dyna has been performed using the element erosion technique, the limitations of which are discussed. Comparison with the experimental tooth fracture measurements allows evaluation of the proposed failure criteria, and enables to stress out and discuss the present limits of the simulation, concluding that it will be necessary in future work to account more finely for the mechanical property gradient together with the compressive residual stresses in the carbonitrided layer.