Les composants des industries de l'aéronautique, du spatial ou de l'énergie sont souvent en fonctionnement dans des environnements sévères où les températures et les pressions peuvent atteindre des valeurs importantes. Les matériaux traditionnels sont alors remplacés par des superalliages dits réfractaires, l'Inconel 718 est un de ces matériaux. Ils sont en particulier caractérisés par la conservation de leurs propriétés mécaniques à hautes températures. L'Inconel 718 est un alliage à base nickel, réputé comme difficile à usiner. Cette difficulté de mise en forme, liée à ses caractéristiques physiques et mécaniques, impose généralement une utilisation très importante de fluides de coupe ; ceux-ci représentent une fraction significative du coût de la pièce usinée. L'objectif est alors de migrer vers l'usinage à sec et grande vitesse. Cependant, du fait des caractéristiques mécaniques et du caractère réfractaire de l'Inconel 718, les surfaces générées peuvent être affectées thermiquement durant l'opération d'usinage avec la mise en place de contraintes résiduelles en traction néfastes pour la tenue en service des pièces usinées. Au travers des travaux présentés, nous nous proposons de montrer la faisabilité de l'usinage à sec de l'Inconel 718 et ses conséquences sur l'intégrité des surfaces réalisées. Des essais de tournage sous lubrification et à sec ont été réalisés dans des conditions de semi-finition avec un outil en carbure de tungstène revêtu. Les surfaces et sous surfaces ont été observées et qualifiées par un ensemble de moyens : microscope à interférométrie, microscope électronique à balayage, microduromètre, goniomètre rayons X pour l'analyse des contraintes résiduelles. L'analyse de l'intégrité des surfaces a permis de mettre en évidence les principaux facteurs influents. La qualité des surfaces produites dépendant de la maîtrise de la température de coupe, une technique de mesure des températures a alors été développée pour une opération de fraisage ; elle est basée sur la technologie des thermocouples. Les essais menés ont permis de déterminer la température en surface et en sous surface ; ces informations sont des éléments importants de validation d'un modèle thermique de la coupe. Enfin, à la suite d'essais de fraisage périphérique et de la mesure des efforts pour différentes conditions de coupe, nous présentons une comparaison entre ces résultats expérimentaux et une modélisation du procédé. La modélisation correspond à une approche thermomécanique de la coupe. En termes d'efforts, la comparaison est tout à fait satisfaisante ; un prolongement de cette approche pour valider l'aspect thermique, est toutefois envisagé.

Le tremblement est un phénomène qui touche diverses parties de l'avion, pouvant créer des problèmes de fatigue structurelle ou de confort et limiter l'enveloppe de vol. Il est par conséquent important de comprendre ce phénomène afin de mieux le prévoir. Quatre types de tremblement sont étudiés dans cette thèse, le tremblement de l'empennage horizontal, le tremblement intrados voilure, le tremblement de l'AFP et le tremblement de l'extrados voilure. La première partie du mémoire détaille la physique de ces phénomènes à partir d'informations recueillies dans la littérature et de l'analyse de différentes campagnes d'essais en soufflerie. Cette partie met ainsi en évidence les caractéristiques instationnaires propres à chaque type de tremblement. La deuxième partie présente l'état de l'art sur la prévision du tremblement, permettant de montrer non seulement les défauts associés aux méthodes antérieures de modélisation mais également les avantages de l'utilisation de certains outils comme l'approche numérique pour mieux comprendre ces phénomènes. Finalement, la troisième partie présente le nouveau modèle semi-empirique basé sur les fonctions de cohérence et développé pour mieux représenter les phénomènes de tremblement étudiés. Une validation de ce modèle a été effectuée sur les différentes campagnes d'essais en soufflerie, donnant des résultats probants pour la plupart des phénomènes étudiés.

Les méthodes expérimentales utilisées actuellement pour déterminer la distribution de taille des pores (DTP) dans les milieux poreux présentent des inconvénients, tels que par exemple, la toxicité des fluides employés (porosimétrie à mercure). La base théoriques d'une nouvelle méthode pour obtenir la DTP a été proposée dans la littérature. Celle-ci est fondée sur l'injection de fluides à seuil, caractérisés par une contrainte de cisaillement en deçà de laquelle ils ne s'écoulent pas. L'idée principale de ces travaux théoriques est que l'écoulement de fluides à seuil à travers un milieu poreux permet d'obtenir sa DTP à partir de la mesure des débits correspondant à différents gradients de pression Q(∇P). L'objectif du travail proposé ici est de présenter une nouvelle méthode d'exploitation des données expérimentales Q(∇P) permettant d'obtenir de façon simple, robuste et reproductible les DTPs des milieux poreux analysés. La démarche consiste à évaluer la contribution au débit total des nouveaux pores qui s'incorporent à l'écoulement entre deux valeurs de ∇P. Ces nouveaux pores sont caractérisés par un rayon représentatif qui est fonction de la contrainte seuil du fluide et de ∇P. L'importance de leur contribution au débit total par rapport à celle d'un seul pore donne le nombre de pores dans l'échantillon ayant ce rayon représentatif. Cette méthode est d'abord testée et validée avec des expériences générées numériquement. Ensuite, elle est utilisée pour exploiter des données provenant d'expériences de laboratoire réalisées avec de différents milieux poreux. Les résultats obtenus en termes de DTPs sont comparés avec ceux fournis par d'autres techniques: porosimétrie à mercure et microtomographie.

Pour les applications aéronautiques, les fibres en céramique piézoélectrique à âme métallique permettent d'imaginer des solutions pour avoir des dispositifs actifs et des capteurs complétement intégrés dans des structures, telles que les composites renforcés par des fibres. La démarche de cette étude est d'élaborer et de caractériser de telles fibres qui présentent de nombreux avantages : l'activation en mode radial permet d'utiliser de faibles tensions de commandes, l'utilisation d'un cœur et d'une matrice conducteurs permet de s'affranchir du dépôt d'électrodes et de garantir leur continuité, la présence d'un coeur métallique améliore la résistance mécanique de la fibre, l'utilisation sous forme de fibres fines et longues permet de l'intégrer à des profils de formes complexes sur de grandes longueurs. Dans un premier temps, le procédé d'enduction est utilisé pour la réalisation de ces fibres en déposant des particules céramiques à base de titano-zirconate de plomb (PZT) sur des fils de platine. Le développement et l'optimisation d'un procédé multicouche permet de réaliser des fibres avec des épaisseurs parfaitement contrôlées pour obtenir les capacités de déformations optimales en alternant des cycles dépôt/traitement thermique avant une opération de frittage finale. La caractérisation d'échantillons massifs traités dans les mêmes conditions permet de s'assurer des propriétés piézoélectriques atteintes pendant les différents traitements thermiques. Les caractérisations électromécaniques réalisées sur les fibres permettent de vérifier le comportement en tant qu'actionneur et que capteur, bien qu'il s'avère difficile de remonter aux caractéristiques intrinsèques des fibres. Dans un second temps, une réflexion est menée sur les moyens à mettre en oeuvre pour envisager un développement à grande échelle de ce type de fibre. Dans ce sens, des expérimentations sur la mise en place du procédé continu de coextrusion avec un polymère chargé sont menées, de même que sur la réduction de la température de frittage à l'aide d'additifs pour substituer les fils en platine, mais aussi sur la réduction du temps de frittage à l'aide de techniques non conventionnelles comme le frittage laser et le frittage micro-ondes. Ces investigations ouvrent des pistes sérieuses pour imaginer une production continue de fibres piézoélectriques à âme métallique. Enfin, des travaux de modélisation par éléments finis du comportement de ces fibres, intégrées ou non dans une structure, permettent de mettre en évidence l'influence du dimensionnement des fibres sur les déformations résultantes, en fonction notamment de l'épaisseur du matériau actif déposée et des propriétés élastiques des différents éléments. Différentes configurations sont imaginées pour utiliser ces fibres dans des structures en tant qu'actionneur et capteur.

Ce travail est consacré à l'étude des effets de la rupture des grains dans les matériaux granulaires sous chargement quasi-statique. Les données expérimentales montrent que plus il y a de ruptures, plus le matériau est compressible et plus la résistance au cisaillement au pic diminue. La source de ce phénomène se trouve dans la mécanique de la fracture des particules individuelles, associée aux conditions de chargement sur ces particules. A partir de ces propriétés, des travaux récents ont cherché à modéliser les liens multi-échelle afin de prédire le comportement de l'assemblage. Pourtant, le sujet est encore ouvert et dans cette thèse, on se propose de fournir davantage de preuves empiriques, de tester la validité de certains modèles et de développer des nouvelles méthodes prédictives. Les liens multi-échelles se font ici en décrivant, premièrement, les propriétés mécaniques des grains par la théorie de la rupture fragile de Weibull. Deuxièmement, des hypothèses sur le réseau des forces de contact intergranulaires permettent de changer d'échelle et de prédire la granulométrie finale après ruptures et la diminution de la résistance au cisaillement à cause des effets d'échelle. On a aussi étudié l'influence de l'eau et du temps (fluage-relaxation) dans des matériaux avec des ruptures des grains sous divers chemins de contraintes, en montrant que la relation entre le taux de ruptures, ou granulométrie finale, et le travail plastique ne dépend que des propriétés intrinsèques du matériau. Des perspectives de ce travail sont le couplage des méthodes prédictives développées avec des modèles constitutifs, afin de prendre en compte les propriétés micromécaniques et les prédictions de la granulométrie dans des modèles continus.

Grâce à l'amélioration des performances des outils expérimentaux et numériques, la mécanique des matériaux peut explorer des échelles de plus en plus fines. Une meilleure compréhension, voire une prédiction, des phénomènes locaux mis en jeu est alors espérée. Cette thèse s'intéresse à la plus petite échelle impliquée dans le comportement mécanique des matériaux, c.-à-d. les interactions entre noyaux dues au comportement des électrons, et notamment des électrons de valence. L'originalité de ce travail est dans la mise en place des éléments finis comme outil numérique de résolution de ce problème. Cette approche largement utilisée dans le domaine de la mécanique des structures fournit de puissants outils numériques permettant de résoudre le problème électronique. Des modèles de Hartree-Fock et post-Hatree-Fock sont implémentés, et les caractéristiques mécaniques des structures électroniques sont estimées. Ces résultats reposent sur de nombreuses approximations dues aussi bien à la modélisation qu'aux approximations numériques. Des estimateurs d'erreur sont développés pour analyser les résultats.

L'expérience en mécanique permet tout d'abord l'observation, la compréhension des phénomènes, puis la mise en place éventuelle de modèles. Ces modèles nécessitent des données d'entrée expérimentales (paramètres) puis des validations. In fine les produits issus des prédictions / dimensionnement via les modèles sont aussi testés. Dans ce cadre, les méthodes optiques pour la caractérisation des matériaux et des structures (photomécanique) sont d'un grand intérêt. Les travaux présentés dans ce mémoire se situent dans ce périmètre, suivant les deux principaux thèmes de recherche que j'ai développés : (A) les mesures de champs par méthodes de corrélation d'images et leur exploitation pour l'analyse du comportement et la caractérisation mécanique des matériaux, et (B) les capteurs à fibre optique pour le suivi des procédés de fabrication des composites (mesures confinées et sans accès visuel). La première partie du mémoire présente mon dossier personnel résumant mes activités générales en temps qu'enseignant-chercheur à l'Ecole des Mines d'Albi. La deuxième partie présente mon dossier de recherche, articulée autour de ces deux thèmes. Le premier thème se décompose suivant trois axes majeurs : (A1) les mesures de champs cinématiques par corrélation d'images et leur caractérisation métrologique, (A2) la caractérisation du comportement de matériaux à l'aide de mesures par corrélation d'images, et (A3) l'identification inverse de paramètres constitutifs à partir d'essais statiquement indéterminés et de mesures par corrélation d'images. Le second thème se décompose suivant deux axes majeurs : (B1) la mesure de température et de déformations par capteur à fibre optique à réseaux de Bragg appliquées au suivi de procédé d'élaboration de composites, et (B2) la mesure du degré d'avancement par réfractomètre de Fresnel. Le mémoire se clôture par un bilan général et quelques perspectives de recherche.

The enhancement of strength of nanoscale materials such as face-centered cubic metal nanowires is well known and arises largely from processes mediated by high energy surface atoms. This leads to strong size effects in nanoscale plasticity; ,smaller is stronger. Yet, other factors, such as crystalline defects also contribute greatly to the mechanical properties. In particular, twin boundaries, which are pervasive and energetically favorable defects in face-centered cubic metal nanowires, have been shown to greatly enhance the strength, furthermore this increase in strength has been shown to be directly influenced by the twin density. However, attempts to control the introduction of beneficial defects remains challenging. Additionally, even minor local variations in the crystalline structure or size of metal nanowires may have drastic effects on the yielding of metal nanowires, which are difficult to measure through tensile and bending tests. In this study, atomic force microscopy based nanoindentation techniques are used to measure the local plasticity of Ni-Au bimetallic as well as Cu and Ag metallic nanowires. In the first part of the thesis the hardness of bimetallic nanowires synthesized through template-assisted electrodeposition is measured and found to show significant size-effects. It was found that the nanoindentation hardness was governed by materials properties, the observed indentation size effects were dependent on geometrical factors. The second part of this thesis presents a methodology to control the crystal structure of Ag and Cu nanowires through direct electrodeposition techniques, which were tested directly as grown on the substrate to limit effects of pre-straining. Ag nanowires showed marked size-effects as well as two distinct modes of deformation which we attribute to the defects that arise during crystalline growth. We also show control of the surface microstructure in Cu nanowires which leads to strengths that are more than doubled compared to single crystalline Cu nanowires. Finally, we present support from classic crystal growth theory to justify that the observed plasticity in Ag and Cu nanowires is largely dependent on defects that are nucleated through changes in the growth environment.

In this work, a new condensed matter approach to the study of excitons based on crystalline thin films of the organic molecule phthalocyanine is introduced. The premise is inspired by a wealth of studies in inorganic semiconductor ternary alloys (such as AlGaN, InGaN, SiGe) where tuning compositional disorder can result in exciton localization by alloy potential fluctuations. Comprehensive absorption, luminescence, linear dichroism and electron radiative lifetime studies were performed on both pure and alloy samples of metal-free octabutoxy-phthalocyanine and transition metal octabutoxy-phthalocyanines, where the metal is Mn, Co, Ni, and Cu. Varying the ratios of the metal to metal-free phthalocyanines in all of these studies, as well as looking across a temperature range from 4 Kelvin up to room temperature is essential for quantifying the exciton wavefunction delocalization in crystalline thin films. A comparative study is performed across organic aromatic ringed molecules of different sizes in the same family: phthalocyanine, naphthalocyanine and tetra-phenyl porphyrin. In an analogy to nanocrystals and their size effects, variations in pi-conjugated ring sizes imply an altering in the number of delocalized electrons, impacting the wavefunction overlap between pi-pi orbitals along the perpendicular axis of neighboring molecules. Finally, complementary measurements that assess crystallinity of the in-house deposited thin films, including individual grain absorption, small angle x-ray scattering images, polarized microscope images and a new unique linear dichroism microscopy dual imaging/luminescence technique are also discussed.

In this paper we present novel analytic and finite element solutions to 1-D straight rods made of Ramberg-Osgood and Hollomon type materials. These material models are studied because they are a more accurate representation of the material properties of certain metals used often in manufacturing than the simpler composite linear types of stress/strain models. Here, various types of loads are considered and solutions are compared against some linear models. It is shown that the nonlinear models do have manageable solutions, which produce important differences in the results - attributes which suggest that these models should take a more prominent place in engineering analysis.