Résumé : Voir pdf pp. vii et viii

L'objectif de ce travail réside dans la compréhension de la force sur un objet pénétrant un milieu granulaire. À partir de mesures de forces sur un cylindre en pénétration à vitesse constante, nous avons caractérisé cette force qui est indépendante de la vitesse imposée, proportionnelle au diamètre du cylindre et varie non-linéairement avec la taille des grains. En complément, nous avons mesuré le champ de vitesse des grains : celui-ci est stationnaire et l'écoulement est incompressible. On observe une localisation du cisaillement dans une zone proche du cylindre avec une dépendance spatiale exponentielle gouvernée par le diamètre du cylindre. Un modèle hydrodynamique s'appuyant sur la théorie cinétique étendue aux régimes d'écoulements denses reproduit correctement cette localisation et fournit des lois d'échelles pour la force similaires aux résultats expérimentaux. En dé finissant un nombre de Reynolds granulaire, nous avons montré que ce régime est l'équivalent d'un régime visqueux de Stokes à petit nombre de Reynolds. Il existe une transition vers un autre régime à grand Reynolds où les pro fils de vitesses perdent leur symétrie amont-aval et la force change sans doute d'expression. Enfin, le cas de l'impact d'un projectile où ces deux régimes existent successivement a aussi été étudié expérimentalement et numériquement. L'existence d'un terme supplémentaire de force proportionnelle au carré de la vitesse est sans doute issue du régime à grand Reynolds. Les deux termes donnent lieu à deux temps caractéristiques dont le temps d'arrêt est fonction et à l'origine d'un temps d'arrêt plus court pour une vitesse d'impact plus grande.

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Les alliages de Zirconium sont utilisés dans l'industrie électronucléaire en tant que matériau de gainage du combustible. Les tubes assurent, entre autres, la fonction de confinement des produits de fission et d'échangeur thermique entre le combustible et le fluide caloporteur du circuit primaire. En service, les alliages sont soumis à des sollicitations thermomécaniques et neutroniques très sévères. La tenue mécanique des crayons combustibles à ces sollicitations constitue un point clé dans le bon fonctionnement des réacteurs nucléaires. Au cours de cette étude, des investigations en Microscopie Electronique en Transmission ont été entreprises par des collaborateurs afin de quantifier les mécanismes de plasticité actifs pour les domaines de contrainte et de température visités. Il ressort de cette étude que le mécanisme de glissement prismatique des dislocations vis reste majoritaire et qu'il est fréquemment accompagné d'un mécanisme de glissement dévié sur les plans pyramidaux. Ces observations expérimentales ont été intégrées dans une modélisation multiéchelle et permettent une description plus fine des phénomènes. Une campagne de caractérisation du comportement en fluage multiaxial à 400°C de l'alliage Zircaloy-4 recristallisé est exploitée dans ce travail et une analyse micromécanique du comportement est proposée. Le comportement Elasto-Visco-Plastique (EVP) est également caractérisé au travers d'essais de relaxation entre 280°C et 430°C mettant en évidence des manisfestations macroscopiques du vieillissement dynamique. Parallèlement à ce travail, des calculs éléments finis sur agrégats polycristallins ont été entrepris et une stratégie d'estimation statistique des champs mécaniques moyens intraphases a été proposée. Cet estimateur permet de retrouver, pour un nombre suffisant de réalisations statistiques, la solution analytique fournie par le modèle autocohérent dans le cadre d'un comportement élastique anisotrope avec une précision satisfaisante. La démarche a donc été appliquée à un milieu EVP et il semble que le modèle en permette de décrire convenablement les observations numériques. Toutefois, l'écoulement élastoviscoplastique des phases cristallographiques présentant un comportement quasi-élastique reste difficile à décrire. L'objectif de la thèse est de développer des modélisations du comportement EVP d'alliages de zirconium en fondant notre approche sur une description physique des phénomènes mis en jeu. L'idée est de parvenir à décrire l'anisotropie, très prononcée, du comportement mécanique des alliages de zirconium. La prise en compte de la texture cristallographqiue et des mécanismes de déformation actifs au travers d'un modèle polycristallin permet de décrire avec une précision satisfaisante le comportement en fluage multiaxé à 400°C. Dans une démarche d'implémentation industrielle, les modèles ainsi élaborés sont simplifiés et un critère d'écoulement mixte est proposé afin de décrire les surfaces de charge simulées par le modèle polycristallin. Une démarche de modélisation phénoménologique mlultimécanisme est finalement appliquée au comportement à 20°C et à 400°C du Zircaloy-4 recristallisé. Enfin, les effets de l'irradiation sur le comportement mécanique des alliages de zirconium sont étudiés au travers d'une revue bibliographique et une démarche de modélisation est proposée dans le but de prendre en compte les mécanismes responsables de la déformation sous irradiation des alliages de zirconium.

HDR

La plus part des matériaux présentant un intérêt en ingénierie et sciences physiques sont intrinsèquement hétérogènes, comme par example les composites renforcés, les matériaux poreux, et les solides polycristallins (e.g., métaux, glace, plusieurs roches). Un problème fondamental en mécanique des matériaux réside dans l'estimation de la réponse macroscopique de tels matériaux hétérogènes à partir des propriétés et de l'arrangement géométrique (microstructure) de leurs constituants. En plus, l'incorporation de l'effet des processus locaux (e.g., évolution de la microstructure, endommagement, ecruisage, recristallisation) sur la réponse macroscopique exige des connaissances statistiques sur la distribution spatiale des champs locaux dans le matériau. A cet effet, nous avons développé des méthodes non-linéaires d'homogénéisation capables de fournir des estimations non seulement du comportement macroscopique mais également des statistiques des champs dans les composites viscoplastiques. Ces méthodes sont basées sur des principes variationnels convenablement conçus, qui se servent d'un composite linéaire de comparaison choisi de façon optimale, permettant une conversion directe des estimations linéaires aux estimations correspondantes pour les potentiels effectifs des composites non-linéaires. Afin d'extraire des estimations des statistiques des champs à partir de ces méthodes, nous proposons une nouvelle procédure basée sur l'utilisation de potentiels effectifs convenablement perturbés. Au moyen de cette procédure sont obtenues des estimations pour les premiers moments des champs locaux dans chaque phase, qui sont conformes aux estimations correspondantes pour le comportement effectif. De plus, contrairement aux approches précédantes, cette procédure n'est pas limité aux premiers et seconds moments, et peut être employée pour estimer les moments d'ordre supérieur, aussi bien que la moyenne par phase des fonctions (convexes) plus générales des champs. Des résultats sont donnés pour des composites biphasés à microstructures particulaires et aléatoires, isotropes transverse ou isotropes. La pertinence de ces résultats est évaluée en les comparant aux résultats exacts correspondant à des matériaux stratifiés séquentiels non-linéaires. Les estimations obtenues s'avèrent en bon accord avec les résultats exacts, même pour des non-linéarités élevées pour lesquelles les champs de déformation sont fortement hétérogènes.

Les travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du stockage d'hydrogène dans des hydrures métalliques. Plusieurs voies de stockage d'hydrogène existent. Afin de sécuriser des réservoirs gazeux sous haute pression (700 bar), une couche de composé intermétallique est insérée entre l'enveloppe interne d'aluminium (barrière physique pour l'hydrogène) et la matrice composite (pour la tenue mécanique du réservoir). En cas fissure de la couche d'aluminium, le composé métallique agit comme une éponge à hydrogène. C'est ce constat qui a motivé ce travail de thèse. Dans un premier temps, les travaux portent sur les modélisations des courbes d'équilibre (Pression-Composition-Isotherme) d'absorption/désorption d'hydrogène dans des composés intermétalliques. Une étude approfondie des modèles existants y est développée. Un nouveau modèle thermodynamique prenant en compte la transformation de phase (solution solide + H2 ↔ hydrures) et la dépendance thermique, est proposé. Dans un second temps, les cinétiques d'absorption/désorption d'hydrogène sont étudiées. Plusieurs approches ont été adoptées. Une approche se situe au niveau d'un grain et décompose le mécanisme d'absorption/désorption depuis l'hydrogène gazeux jusqu'à la formation d'hydrures, en passant (entre autres) par les étapes de chimisorption et de diffusion. La deuxième approche se place au niveau d'un lit granulaire où les effets de transport d'hydrogène et de transfert thermique sont étudiés. Finalement, basées sur la nouvelle modélisation des courbes d'équilibre, sur l'étude des cinétiques d'absorption/désorption et sur les modes de transport d'hydrogène et de transfert thermiques, des simulations de remplissage de réservoirs sont conduites. Une étude paramétrique est alors entreprise pour déterminer l'influence de divers paramètres sur les temps de remplissage.

La caractérisation des produits bois et composites par l'utilisation d'ondes mécaniques constitue la problématique des travaux présentés. Cette caractérisation n'est possible que par l'union de plusieurs disciplines scientifiques : la physique des ondes élastiques, la science du bois, le traitement des signaux, les mathématiques appliquées, les statistiques et les mesures physiques. D'un point de vue fondamental, il s'agit alors de comprendre l'interaction onde-matière par la résolution du problème direct : connaissant l'état de l'objet matériel et la perturbation initiale, suis-je capable de connaître la réponse dynamique de l'objet ? Puis de caractériser les propriétés matérielles ou d'identifier les éventuelles hétérogénéités par résolution du problème inverse : connaissant la perturbation initiale et la réponse dynamique de l'objet matériel, suis-je capable de connaître l'état de l'objet ? La problématique abordée comporte de multiples facettes. Chaque problème de contrôle non destructif est en fait unique et la manière de le résoudre dépend autant de l'objet lui-même que de son contexte (industriel et/ou scientifique). Il existe également plusieurs méthodes de résolution qui n'ont parfois de commun que la physique des ondes élastiques et l'objet lui-même (de même qu'il est possible de résoudre un problème en dynamique de manière très différente). Les travaux présentés sont organisés en dissociant de manière hiérarchique : la caractérisation unidimensionnelle et l'imagerie bidimensionnelle ; les ondes acoustiques et les ondes ultrasonores ; les déterminations quantitatives et les aspects qualitatifs. Les résultats obtenus permettent d'exposer les principaux acquis et certaines voies restant à explorer. La réponse dynamique peut être définie par son spectre en fréquence, par l'évolution de ce spectre dans le temps ou par un petit nombre de descripteurs résumant l'information vibratoire. L'utilisation de méthodes statistiques est alors nécessaire pour mettre en relation cette information et les propriétés intrinsèques recherchées. De ce point de vue, un spectre d'absorbance en spectroscopie proche infrarouge est analogue à un spectre de vibration acoustique ; les mêmes méthodes numériques peuvent être utilisées.

Le procédé de soyage qui consiste à réaliser un relevage du bord dans un trou préalablement poinçonné ou percé a été étudié sur deux tôles en aluminium A1050-H14 et A6061-O. Une caractérisation mécanique a été effectuée en utilisant des essais de traction et de cisaillement (monotone et cyclique). En bénéficiant des résultats de cette caractérisation, des modèles éléments finis 2D et 3D de soyage ont été développés en utilisant des critères de plasticité isotrope et anisotrope (Hill 1948). Ces modèles ont été améliorés par la technique de remaillage et la prise en compte de l'endommagement en utilisant un modèle non couplé puis un modèle couplé. Des outils de presse ont été également conçus, fabriqués et exploités pour mener des expérimentations destinées principalement à valider les résultats numériques.