La connaissance du comportement mécanique des aciers polycristallins et de leur sensibilité à la vitesse de déformation et à la température est essentielle afin de maîtriser les procédés de mise en forme et la tenue en service sous sollicitation dynamique. L'approche micromécanique, basée sur les techniques d'homogénéisation, permet de prendre en compte les rôles de la microstructure et des interactions mécaniques entre grains. Les mécanismes locaux sont basés sur la théorie de l'activation thermique pour les métaux cubiques centrés. Les lois d'écrouissage sont écrites en termes de densités de dislocations et prennet enc ompte les effets de restauration dynamique. Deux outils de transition d'échelle, dits à "variables internes", sont utilisés pour un chargement à vitesse de déformation macroscopique imposée. Il s'agit du modèle de Paquin et al. et d'un nouveau modèle qui s'appuie sur une approche de résolution du schéma autocohérent par l'utilisation d'opérateurs de projection et de champs translatés inspirés de l'idée de Kröner. Ces deux modèles sont appliqués à différentes classes de matériaux et sont comparés aux modèles de Kröner-Weng et aux modèles de type "héréditaire". Les résultats numériques sont comparés aux résultats expérimentaux pour différentes nuances d'aciers essentiellement pour des trajets de déformation monotones en traction et en cisaillement dans une large gamme de vitesses de déformation. La modélisation du comportement des aciers à "Bake-Hardening" (BH) prend en compte les mécanismes responsables du durcissement après le traitement de peinture (vieillissement). L'effet "BH" est dû à la fois à un durcissement par effet Cottrell et à un durcissement par formationde précipités qui constituent des nouveaux obstacles au mouvement des dislocations. Les résultats du modèle "micro-macro" sont comparés quantitativement aux résultats expérimentaux en traction uniaxiale.

Les matériaux naturels tels que l'os et la nacre d’ormeau sont constitués de blocs de construction relativement faibles et présentent pourtant souvent des combinaisons remarquables de rigidité, de résistance à la rupture et de ténacité. Ces performances sont dues en grande partie à leurs architectures de brique et de mortier. De nombreux efforts sont consacrés à la duplication de ces principes dans les matériaux synthétiques. Toutefois, les progrès sont en grande partie basés sur des approches empiriques, qui prennent beaucoup de temps et ne garantissent pas la réalisation optimale.La modélisation est une alternative attrayante pour guider la conception et les voies de traitement de ces matériaux. Dans ce travail, nous développons un modèle numérique basé sur la méthode des éléments discrets (DEM) pour comprendre les mécanismes de renforcement et optimiser les propriétés mécaniques des matériaux de type nacre en fonction de leurs paramètres microstructurales. Le modèle suit l’évolution de la fissure, prend en compte de différents mécanismes de renforcement et évalue quantitativement la rigidité, la résistance à la rupture et la ténacité. Une approche intéressante, basée sur l'imagerie EBSD, est présentée pour modéliser le matériau réel et ses différentes variations microstructurales. Les résultats sont ensuite combinés pour fournir des directives de conception pour les composites synthétiques de type brique et mortier comprenant uniquement des constituants fragiles. / Natural materials such as bone and the nacre of some seashells are made of relatively weak building blocks and yet often exhibit remarkable combinations of stiffness, strength, and toughness. Such performances are due in large part to their brick and mortar architectures. Many efforts are devoted to translate these design principles into synthetic materials. However, much of the progress is based on trial-and-error approaches, which are time consuming and do not guarantee that an optimum is achieved.Modeling is an appealing alternative to guide the design and processing routes of such materials. In this work, we develop a numerical model based on Discrete Element Method (DEM) to understand the reinforcement mechanisms and optimize the mechanical properties of nacre-like materials based on their microstructural parameters. The model follows the crack propagation, accounts for different reinforcement mechanisms, and quantitatively assess stiffness, strength, and toughness. An interesting approach, based on EBSD imaging, is presented to model the real material and its different microstructural variations. Results are then combined to provide design guidelines for synthetic brick-and-mortar composites comprising with only brittle constituents.

This thesis addresses the problem of damage at elevated temperature with a view to analysing transverse cracking during the continuous casting of microalloyed steels. Based on the results of a previous project undertaken at the University of Liège to simulate the continuous casting process at the macroscopic level, the present research aims at studying the damage growth using a finite element mesoscopic approach that models the grains structure of the material. The developments are done at the mesoscopic scale using information from both the microscopic and macroscopic levels. In order to determine the constitutive laws governing the damage process at the mesoscopic scale, the physical mechanisms leading to the apparition of cracks during steel continuous casting are first investigated. It is acknowledged that in the studied temperature range (800 to 1200 °C), the austenitic grain boundary is a favourable place for cracks to initiate and propagate. The mechanisms of voids nucleation, growth and coalescence are established, the cavities evolving under diffusion and creep deformations. Having identified the damage mechanisms occurring under continuous casting conditions, a numerical approach for the modelling of these phenomena at the grain scale is proposed. The mesoscopic model, which is implemented in the Lagrangian finite element code LAGAMINE developed at the University of Liège, is built on the basis of a 2D mesoscopic cell representative of the material. The finite element discretization comprises solid elements inside the grains and interface elements on the grains boundaries. An elastic-viscous-plastic law of Norton-Hoff type, which represents the thermo-mechanical behaviour of the material, is associated to the solid elements for the modelling of the grains; and a damage law accounting for cavitation and sliding is linked to the interface elements for the modelling of the damage growth at the grains boundaries. The transfer between the macroscopic and mesoscopic scales is realised by imposing the stress, strain and temperature fields, collected during the parent macroscopic simulation, as boundary conditions on the mesosopic cell. Macroscopic experiments, analytical computations and finite element simulations, as well as literature review and microscopic analyses, are used to define the parameters of the material laws. The experimental results and the identification methodology leading to the definition of the set of parameters specific to the studied steel are described. Finally, the influence of oscillation marks and process defects on cracks formation during the industrial process of continuous casting is analysed. The results are compared with in-situ observations and cracking risk indicators computed by the macroscopic model.

La reproduction expérimentale de transitoires thermiques accidentels de type Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) en laboratoire a permis d’observer la fragmentation du combustible fortement irradié lorsque la gaine se déforme sous l’augmentation de la température. Ces fragments de petites tailles peuvent se relocaliser dans le ballon voire être éjectés hors du crayon cas de rupture de gaine. La zone High Burnup Structure (HBS) des combustibles fortement irradiés est la plus susceptible de se fragmenter et d’être relocalisée par sa position en périphérie de pastille. Pour expliquer ce phénomène, l’hypothèse retenue est que le transitoire provoque une surpression dans les bulles HBS ce qui mène à la décohésion des joints de grains et à la fragmentation. Cette thèse a pour but de développer un critère de fissuration mécanique du combustible pour mieux comprendre le comportement des bulles HBS lors des conditions thermiques APRP. Ce travail se base sur une méthode une méthode micromécanique en trois étapes : i) la représentation qui permet de caractériser la microstructure de la zone HBS (leurs dimensions, leur fraction volumique, et la pression interne). Deux sources d’informations seront utilisées : les observations expérimentales provenant de disques ou de pastilles de combustible irradiés à fort taux de combustion et d’outils numériques(avec Alcyone-Caracas [JSB+14]) / Under Loss Of Coolant Accident(LOCA) transients conditions, the high irradiated fuel is fragmented in small sizes fragments who can be relocated in the balloon, or being ejected out of the fuel rod if the latter burst. This work focuses on the pellet rim, where bubbles density increases owing to a higher irradiation level. Usually the hypothesis used to explain fuel fragmentation during transient is grain cleavage induced by over pressurized fission gas bubbles, located at the grain boundary. The aim of this study is to define a macroscopic fragmentation model based on a micro mechanical approach to have a better understanding of the fuel mechanical behaviour at lower scale : size and volume fraction of fragments. This PhD introduces a stepwise micromechanical method based on three steps : i) firstly, we detail how to model the HBS microstructure including pressurized porosities, based on experimental or numerical data and define a representative volume element (RVE)