Les applications des fibres Polyamide 66 (PA66) dépassent largement le seul marché textile et offrent aujourd'hui des solutions techniques dans des industries de pointe telles que le renforcement pneumatique, la sérigraphie, etc. L'impact de la microstructure sur les performances mécaniques - i.e. rigidité et ténacité - constitue un axe de recherche dans lequel s'inscrit cette étude. A travers divers filaments techniques, il s'agit d'identifier les paramètres microstructuraux pertinents pilotant le comportement mécanique en traction et d'incriminer les entités responsables de l'initiation des mécanismes d'endommagement et de rupture. Le couplage d'analyses in situ, de l'échelle microstructurale (diffraction des rayons-X, micro-spectroscopie Raman) à l'échelle mécanique traction monotone, compression transverse, relaxation, suivi des cinétiques de fissuration sub-critiques), et à l'appui l'outil numérique (simulation par éléments finis), a permis de donner un éclairage sur les micro-mécanismes de déformation et d'endommagement. Un seuil viscoplastique, attribué au glissement entre macrofibrilles, a été démontré. En outre, un gradient de propriété dans la section de la fibre a été mis en évidence et a révélé un état de contrainte résiduel comparativement plus faible dans les zones périphériques de la fibre qu'à cour. Deux approches numériques de la rupture ont été menées: tout d'abord une approche évaluant le paramètre JIC et, une seconde approche, plus locale, propose un traitement statistique de la rupture basée sur la distribution des contraintes en pointe de fissure.

Concevoir des moyens de mobilité plus sûrs et plus légers est un défi majeur des constructeurs automobiles. Dans ce contexte, l'intégration des matériaux dans le pneumatique a elle aussi été soumise à de nouvelles exigences : concilier performances et économie d'énergie. Les renforts traditionnels à forte densité comme les tréfilés d'acier sont peu à peu et en partie remplacés par des matériaux polymères hautes-performances plus légers tel que le para-aramide. Le Kevlar® est le nom industriel du composé polyamide aromatique : poly(paraphénylène téréphtalamide), intégré à l'architecture du pneumatique sous forme d'un fil torsadé. La structure rigide et fortement orientée de l'aramide confère à ce polymère de hautes performances mécaniques, telles qu'un module élevé dans la direction longitudinale, de l'ordre de 85GPa, et une grande résistance mécanique de plus de 2.8GPa. Les hautes performances de cette fibre de 15 micromètres de diamètre sont dues à son organisation multi-échelles isotrope transverse avec des liaisons covalentes dans la direction longitudinale et des liaisons de plus faibles énergies dans la direction radiale. L'objectif de cette étude est de comprendre, à l'échelle de la fibre unitaire, les corrélations entre l'architecture microstructurale et la réponse mécanique dans les directions longitudinale et transverse. Une approche expérimentale multi-échelle a été adoptée (Extensometrie Raman, DRX, MEB, caractérisation mécanique sur fibre unitaire), couplée à l'outil numérique afin d'apporter des nouveaux éclairages sur les micro-mécanismes de dissipation. Ce travail a mené à une identification expérimentale du comportement mécanique anisotrope ainsi qu'à établir une limite de plasticité transverse. De plus, grâce à l'approche numérique, une architecture cœur/peau a été mise en avant en modélisant le comportement par une loi viscoélasto-viscoplastique anisotrope. Enfin, des éléments sur le couplage thermo-mécanique sont apportés en vue de mieux comprendre le cycle de vie de la fibre au sein du pneumatique. / Designing safer and lighter vehicles is a major challenge for manufacturers. Nowadays, a vehicle needs to be eco-friendly and conciliate efficiency and energy-saving. Considering these requirements, tire materials are subject to change: high performance polymers are a good replacement, in terms of weight and dissipation, for traditional reinforcements such as drawn steel. For instance, aramid strands (1000 fibres) are used because the single fibre exhibits good mechanical properties such as its high modulus (85 GPa) conferred by its anisotropy or its high temperature resistance. The mechanical performance of a Kevlar® fibre is due to its different scale organisation : the primary (molecular chains held by covalent bonds), the secondary (pleated sheets held by interactions) and the tertiary structure (sheets stacked together). Because of the cooling thermodynamics during the fabrication process, the 15 microns diameter fibre seems to have a skin/core structure with punctual more or less critical defects. To go further in the understanding of the complex structure, the contribution of the skin/core structure in the mechanical performance in the longitudinal and the transverse directions is investigated through a multi-disciplinary approach made of a numerical and an experimental study. During its use, an aramid single fibre undergoes cyclic multiaxial loading and harmful thermal treatments, at the origin of structural and mechanical properties modifications but also dissipative behaviour evolution, still misunderstood. To deal with these change in depth, an experimental and numerical multi-scale characterisation is used. Mechanical and thermal treatments are realised and their impact on the microstructure, on the deformation micromechanisms and on the mechanical properties including the dissipative behaviour are investigated. Limiting use values in terms of temperature, longitudinal and transverse stresses are highlighted in this work in order to understand modifications enhanced by the fibre life cycle.

Pendant ce travail, nous avons étudié le comportement en fatigue d'un polyamide 66 chargé de fibres de verre. Ce matériau a de nombreuses applications où il subit des sollicitations dynamiques, comme les pièces sous capot d'un véhicule. La compréhension des micro-mécanismes qui gouvernent le comportement de ce matériau en fatigue joue un rôle essentiel dans la conception de ces pièces. Dans le but d'observer l'influence de la direction de sollicitation par rapport à l'orientation des fibres ainsi que le rôle de l'interface, deux types de sollicitation ont été choisis : La sollicitation en Flexion Alternée et la sollicitation en Traction- Traction. Pour les ces deux types de sollicitation, la température de surface augmente pendant les tests. Les résultats montrent que cette augmentation dépend du niveau de chargement et de la fréquence. Les courbes de Wöhler se rejoignent et la température induite par l'auto-échauffement à ce point de jonction augmente pour les deux essais avec une allure identique. Pendant la période d'amorçage des fissures en flexion alternée, nous n'avons pas observé de changement macroscopique des propriétés de l'éprouvette, densité, taux de cristallinité, température de transitions vitreuse et module d'élasticité. Un temps de repos à proximité de la rupture permet de relaxer les micro-défauts et d'augmenter le nombre de cycles à la rupture. La durée de vie a été modélisée pour le polyamide 66 et son composite.

L'industrie automobile emploie massivement les Aciers à Haute Performance (AHP) pour la fabrication des caisses en blanc, en raison de leur rapport résistance/masse élevé. Ils sont utilisés afin d'augmenter la sécurité des occupants en cas de crash, ou de réduire la masse du véhicule grâce à une diminution des sections utiles. En parallèle, le prototypage virtuel est omniprésent dans le processus de conception des nouveaux véhicules. En prenant l'exemple d'une caisse en blanc automobile, la conception de la structure globale et des procédés de mise en forme de ses composants nécessite des modèles prédictifs et fiables décrivant le comportement et la rupture des matériaux utilisés. Des efforts soutenus ont été entrepris ces cinq dernières années pour développer des modèles prédisant la rupture des AHP sous chargement statique. Pourtant les taux de déformations rencontrés lors d'opération de mise en forme sont de l'ordre de 10 s-1, et peuvent atteindre 103 s-1 lors de crashs. Le but de cette thèse est de développer une méthode fiable permettant d'évaluer l'influence du taux de déformation et de l'état de contrainte sur la rupture ductile d'AHP initialement non-fissurés. Une procédure expérimentale est conçue pour caractériser le comportement et l'initiation de la rupture dans des tôles chargées en traction à grande vitesse de déformation. La précision du dispositif est évaluée grâce à des validations numériques et expérimentales. Par la suite, une série d'expériences est réalisée à petite, moyenne et grande vitesse de déformation sur différents types d'éprouvettes de traction, afin de couvrir un spectre étendu d'états de contraintes. Une analyse détaillée de chaque expérience par la méthode des Éléments Finis permet de déterminer le trajet de chargement et l'état de déformation et de contrainte à la rupture dans chaque éprouvette, tout en prenant en compte les phénomènes de striction. La déformation à la rupture est significativement plus élevée à grande vitesse de déformation qu'à basse vitesse. De plus, les résultats montrent que l'influence du taux de déformation sur la ductilité ne peut pas être découplée de l'état de contrainte. Le modèle de comportement constitue un élément essentiel de cette approche hybride expérimentale-numérique. Un modèle de plasticité dépendant du taux de déformation est proposé pour prédire la réponse mécanique des AHP sur toute la plage de déformation, taux de déformation et état de contrainte couverte par le programme expérimental. La précision du modèle est validée par comparaison de mesures expérimentales globales et locales aux prédictions numériques correspondantes. De plus, l'influence de la discrétisation spatiale utilisée dans les simulations par Eléments Finis sur la précision de l'approche hybride expérimentale-numérique est quantifiée. Il est montré qu'un maillage fin d'éléments hexaédriques est nécessaire pour obtenir des prédictions précises jusqu'à la rupture. Ce type de maillage n'est pas compatible avec des applications industrielles à grande échelle pour des raisons évidentes d'efficacité numérique. C'est pourquoi une méthode de remaillage dynamique d'éléments coque vers des éléments solides est présentée et évaluée. Cette méthode permet d'obtenir des prédictions fiables de l'initiation de la rupture dans des tôles sans compromettre dramatiquement l'efficacité numérique obtenue grâce aux éléments coque. La seconde partie de ce travail s'intéresse aux micro-mécanismes responsables de la rupture ductile du matériau étudié. Une analyse micrographique du matériau soumis à différents niveaux de déformation permet d'identifier l'enchainement des mécanismes d'endommagement. Ces observations suggèrent que le mécanisme critique conduisant à la rupture est la localisation de la déformation plastique dans une bande de cisaillement à l'échelle du grain. Un model numérique reposant sur la déformation d'une cellule élémentaire 3D contenant une cavité est développé pour modéliser ce phénomène. Il est montré que le mécanisme de localisation à l'échelle micro de l'écoulement plastique dans une bande de cisaillement permet d'expliquer la dépendance de la ductilité à l'état de contrainte et au taux de déformation observée à l'échelle macro.