Grâce à leurs excellentes propriétés de dureté et de résistance à l’usure, les carbures cémentés sont les meilleurs candidats pour la réalisation d’outillage de coupe. Elaborés par la métallurgie des poudres, ils sont majoritairement composés de carbure de tungstène, choisis pour ses propriétés de dureté et d’un liant métallique à haute ductilité, le plus souvent le cobalt. Néanmoins, l’utilisation du cobalt comme liant est remis en question depuis quelques années par la commission européenne REACH à cause de sa toxicité. En conséquence, des liants alternatifs tels que les alliages de Fe et Ni sont étudiés. Malgré les différents travaux menés, il subsiste un manque de compréhension fondamental sur l’effet spécifique du liant sur le frittage et le grossissement de grains des carbures cémentés. Le but de cette étude est la compréhension de l’effet de la composition du liant sur le frittage et le grossissement de grains. Dans cet objectif, différent liants WC-20vol%M (M=Fe, Ni or Co) et différent taux de carbone sont considérés. Le frittage et le grossissement de grains seront étudiés à l’aide de caractérisations macroscopiques et microstructurales, puis les résultats discutés en comparaison avec la littérature. Comme il a été déjà observé dans le cas d’alliages WC-Co, le retrait au cours du frittage survient plus tôt dans le cas d’alliages riches en W qu’en C, quelque soit le liant considéré. Concernant l’effet de la nature du liant, le frittage en phase solide est décalé vers les hautes températures pour WC-Fe en comparaison avec WC-Co et WC-Ni. Dans cette étude le retrait est directement corrélé avec la capacité d’étalement du liant dans la porosité, comme le confirme l’analyse de la microstructure. Quant au grossissement de grain, il est inhibé pour un faible ratio C/W, quelque soit la nature du liant. Néanmoins, pour un ratio C/W élevé, celui-ci augmente, ainsi que la tendance au grossissement anormal, en particulier dans le cas du liant nickel. Les mécanismes de grossissement de grains sont discutés en lien avec les observations structurales des interfaces. / Thanks to their exceptional hardness and wear resistance, cemented carbides are the best candidates to make efficient cutting and drilling tools by the powder metallurgy route. Known as a very hard ceramic material, tungsten carbide is used as the major component of cemented carbides. A ductile metal binder is added as the matrix, which in most cases is cobalt. Nevertheless the use of cobalt as a binder is questioned by the new European regulation on chemicals (REACH). Therefore, new alternative binders are considered, especially Fe and Ni-alloys. Although a few studies exist for Fe-based and Ni-based WC cemented carbides, there is still a lack of fundamental understanding of the specific effect of the binder on sintering and grain growth. This work discusses the effect of binder composition on sintering and grain growth of cemented carbides. For this purpose, different binder compositions WC-20vol%M (M= Fe, Ni or Co) and different C/W ratio are considered. Sintering and grain growth behaviors are investigated using several macroscopic and microstructural characterizations, and results are discussed and compared to the literature. As already observed in previous works on WC-Co, shrinkage occurs earlier for W-rich than for C-rich alloys for the three binders. Regarding the influence of the binder nature, solid state sintering is delayed to higher temperature for WC-Fe in comparison to WC-Co and WC-Ni alloys. Shrinkage is directly related to the spreading efficiency of the binder into the porosity, as confirm by the microstructure analysis. Grain growth is inhibited for low C/W ratio whatever the binder nature. Nevertheless, for a high C/W ratio, grain growth is enhanced and the abnormal character of grain growth increases, especially in the case of a Ni binder. Grain growth mechanisms are discussed in relation with the observed structure of phase boundaries.

Magnesium and its alloys are considered as the potential biomaterials due to their biocompatibility and biodegradable characteristics but suffer from poor corrosion performance. Various surface modification techniques are employed to improve their corrosion resistance. In present case, laser surface melting was carried out on AZ31B Mg alloy with various laser energy densities using a continuous wave ytterbium laser. Effect of laser treatment on phase and microstructure evolution was evaluated by X ray diffraction and scanning electron microscopy. Multi-physics thermal model predicted time temperature evolution along the depth of the laser treatment zone. Additionally, electrochemical method and bio-immersion test were employed to evaluate the corrosion behavior in simulated body fluid medium. Microstructure revealed grain refinement and even distribution of Mg17Al12 phase along the grain boundary for laser treated samples leading to substantial enhancement in the corrosion resistance of the laser treated samples compared to the untreated alloy. The laser processed samples also possessed a superior wettability in SBF solution than the untreated sample. This was further reflected in enhanced bio-integration behavior of laser processed samples. By changing the parameters of laser processing such as power, scanning speed, and fill spacing, a controllable corrosion resistance and bioactivity/biocompatibility of the implant material was achieved.

La valorisation de résidus agricoles, industriels ou urbains se révèle, à mesure des recherches et des avancées, un recours pertinent aux défis s’imposant à l’industrie de la terre cuite et au domaine de l’habitat. L’incorporation de résidus agricoles à travers des produits conventionnels a permis au long de cette étude une économie de ressource argileuse et d’énergie, tout en améliorant les performances mécaniques et thermiques à la base des matériaux de construction. Des matières végétales ajoutées au mélange argileux de fabrication entrainent une formation de porosité, durant la cuisson des produits, selon la libération d’espaces occupés par les particules, à des températures allant de 200 à 400°C. Les pores en formation adoptent alors les formes et les tailles de particules constitutives, en procurant une maitrise de la microstructure et des propriétés usuelles de la terre cuite. Les résidus agricoles à fines particules se décomposent au sein de la matrice argileuse et procurent, en réduisant la taille moyenne des pores, une amélioration des performances mécaniques de près de 40%. Les matières végétales à particules fibreuses suscitent en revanche une augmentation de l’anisotropie originelle de la microstructure et une amélioration notable de 40% des performances thermiques. La combustion de la matière organique assure, en prime, un apport énergétique au procédé de cuisson s’élevant à 35% des besoins en combustible et compensant un coût d’achat éventuel. L’incorporation de matières végétales au sein des produits de terre cuite apparait comme un succès sur le plan économique, environnemental et technique en raison d’une valorisation matière, entrainant une amélioration des performances usuelles, et d’une valorisation énergétique, accordant une réduction des consommations en gaz et des émissions en dioxyde de carbone. / Waste and biomass valorization appears, on a way of research and advances, as a relevant answer in the challenge offered to the clay bricks industry and housing field. Incorporations of agricultural wastes into clayey ceramic bodies accorded, along those investigations, raw material and energy savings, since improving the mechanical and thermal properties on the basis of every building material. Biomass incorporations amongst argillaceous mixtures induce a porosity formation through the firing process under a release, on a range of temperatures going from 200 to 400°C, of the material spaces previously filled by the organic particles. The porous cavities assume the sizes as well as shapes of the biomass particles and provide a microstructure control affording a functional properties command. The agricultural wastes including thin particles fade out into the clayey bodies and provide, through a median pore size reduction, an improvement of the mechanical strength up to 40%. Crops residues showing fibrous particles induce on the other hand an increase of microstructure and porous network anisotropy, leading to a tremendous improvement of nearly 40% in the insulation behavior. The biomass combustion provides a calorific contribution as well, to the industrial process of firing, surrounding 35% of the usual fuel requirements and supplies an eventual cost of agricultural wastes. Biomass incorporation into clayey ceramic appears as a success on economical, environmental and technical terms, according to the material purpose offering an improvement of the functional performances, and energy purpose assuming a diminution of gas consumptions or a reduction of carbon dioxide release.

De nos jours, une des stratégies pour améliorer les propriétés des brasures sans plomb est d'introduire en petites quantités certains éléments d'alliage. Dans notre étude, deux nouveaux types de brasures, dénommés Innolot et SAC-Bi et dont l'utilisation dans diverses applications électroniques augmente, sont caractérisées. En particulier, l'effet des éléments Ni, Sb et Bi sur les propriétés mécaniques est analysé. L'étude vise également à évaluer l'influence des facteurs de sollicitation, du vieillissement en température sur la réponse des matériaux et leurs évolutions microstructurales. A cet effet, une machine permettant de réaliser des essais de micro-traction sur éprouvettes miniatures a été conçue et fabriquée. Les sollicitations qu'elle permet d'appliquer sont multiples (traction, cisaillement et cyclage) et des conditions en température et en vitesse de déformation peuvent être imposées lors de l'essai. La fabrication des éprouvettes nécessaires aux essais a également été entreprise dans cette étude afin d'avoir un matériau similaire à celui issu du process industriel et de disposer d'une géométrie adaptée au type de caractérisation souhaitée (éprouvettes massives, à simple recouvrement, etc.).Après ces étapes préparatoires, des tests ont été réalisés sous sollicitations de traction, cisaillement, fluage et fatigue en faisant varier les conditions d'essais. Le premier objectif a été l'identification du comportement des brasures, y compris en prenant en compte l'effet du vieillissement. Ces données ont permis ensuite de réaliser des simulations thermo-mécaniques sur les matériaux utilisés sous forme de joints de brasure dans un module de puissance sous cyclage thermique. Les analyses de microstructure (SEM/EDS et EPMA) faites par la suite ont montré le rôle des éléments d'alliage (Ni, Sb et Bi) sur les performances mécaniques des brasures en termes de résistance, limite élastique et rigidité. Le rôle des facteurs d'essai, comme la température, la vitesse de sollicitation et la durée de vieillissement, a également été mis en évidence au niveau des propriétés obtenues et des changements dans la microstructure. Il a été établi que l'élément Sb permet de favoriser le durcissement par écrouissage des brasures, tandis que l'ajout des éléments Ni et Bi permettent un raffinement de la microstructure. Les essais ont aussi permis d'identifier les 9 paramètres de la loi d'Anand par une procédure numérique s'appuyant sur les données de traction et de cisaillement, permettant ainsi de réaliser des simulations par éléments finis. Ces dernières suggèrent un meilleur comportement à la fatigue pour la brasure Innolot qui bénéficie est effets favorables des additifs. / Nowadays, one of the strategies to improve the reliability of lead-free solder joints is to add minor alloying elements to solders. In this study, new lead-free solders, namely InnoLot and SAC387-Bi, which have begun to come into use in the electronic packaging, were considered to study the effect of Ni, Sb and Bi, as well as that of the testing conditions and isothermal aging, on the mechanical properties and microstructure evolution. A new micro-tensile machine are designed and fabricated, which can do tensile, compressive and cyclic tests with variation of speeds and temperatures, for testing miniature joint and bulk specimens. Additionally, the procedure to fabricate appropriate lap-shear joint and bulk specimens are described in this research. The tests, including shear, tensile, creep and fatigue tests, were conducted by micro-tensile and Instron machine at different test conditions. The first study is to characterize, experimentally, the mechanical behaviors and life time of solder joints submitted to isothermal aging and mechanical tests. The second goal of the project is to perform thermo-mechanical simulations of IGBT under thermal cycling. The experimental results indicate that, with addition of Ni, Sb and Bi in to SAC solder, the stress levels (UTS, yield stress) are improved. Moreover, testing conditions, such as temperature, strain rate, amplitude, aging time, may have substantial effects on the mechanical behavior and the microstructure features of the solder alloys. The enhanced strength and life time of the solders is attribute to the solid hardening effects of Sb in the Sn matrix and the refinement of the microstructure with the addition of Ni and Bi. The nine Anand material parameters are identified by using the data from shear and tensile tests. And then, the obtained values were utilized to analyze the stress-strain response of an IGBT under thermal cycling. The results of simulations represent that the response to thermal cycling of the new solders is better than the reference solder, suggesting that additions of minor elements can enhance the fatigue life of the solder joints. Finally, the SEM/EDS and EPMA analysis of as-cast, as-reflowed as well as fractured specimens were done to observe the effects of these above factors on the microstructure of the solder alloys.

Ce travail concerne l’élaboration, l’étude de la microstructure semicristalline et les propriétés de films de chitosane, envisagés pour le relargage de principes actifs. La microstructure semicristalline des films de chitosane influence fortement leurs propriétés physicochimiques et fonctionnelles. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude systématique par diffraction de rayons X en faisant varier différents paramètres structuraux de chitosane statistiques (DA) et les paramètres d’élaboration des films (l’état de neutralisation, la nature du contre-ion et le pourcentage d’eau dans les films avant neutralisation, et la situation de l’étape de neutralisation dans le procédé). Nous avons obtenus différentes microstructures semicristallines en terme d’allomorphes hydratés ou anhydres, en jouant sur les conditions plus ou moins hydrophobes au moment de la neutralisation. Par ailleurs, une étude de la mobilité moléculaire par spectroscopies diélectrique et mécanique a permis de mettre en évidence différentes relaxations secondaires, toujours en fonctions des paramètres physicochimiques qui conditionnent la balance des interactions hydrophiles/hydrophobes. De plus, la Spectroscopie mécanique a montré une transition réversible de comportement hydrophile / hydrophobe dépendant du traitement thermique appliqué. Cette étude nous a montré que le degré d’acétylation n’influence pas directement la mobilité moléculaire dans les films de chitosane, mais c’est encore la balance des interactions hydrophiles / hydrophobes qui gouverne la réponse viscoélastique et diélectrique. Finalement, nous avons réalisé une étude du gonflement de films de chitosane en relation avec les paramètres de mise en oeuvre. Les résultats sont reliés à la microstructure semicristalline. Le relargage de protéines a été abordé par l’étude d’une protéine modèle (Ovalbumine). La technique de dichroïsme circulaire a permis d’étudier les interactions ovalbumine/chitosane à l’état solide (dans le film) comme à l’état solution (après relargage). Les cinétiques de relargage ont été déterminées et discutées en fonction du gonflement et de la morphologie cristalline / This work concerns the elaboration, semicrystalline microstructure and properties study of chitosan films for application of release of active principle. The semicrystalline microstructure of chitosan films strongly influences their physicochemical and functional properties, so their control becomes very important for the aimed application. In this context, we have performed a systematic study by X-ray diffraction on chitosan films varying different parameters that influence their semicrystalline microstructure, particularly, the degree of acetylation, the elaboration routes, the neutralization state, the counter-ion nature and the water content before neutralization. We have achieved to control the semicrystalline microstructure by the combination of these parameters. Furthermore, the study of the molecular mobility behaviour was carried out showing the different relaxation processes present in the chitosan films. A viscoelastic study by mechanical spectroscopy showed hydrophilic/hydrophobic transitions as a function of he thermal treatment. This study showed that the degree of acetylation does not have a strong influence on the molecular mobility in the chitosane films. Finally, we have conducted a study of swelling of chitosan film in relation to the semicrystalline microstructure. Then, a model protein (Ovalbumin) has been incorporated to study its interaction with chitosan in the solid state (in the film) and in solution (after release) and in order to evaluate its release

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In this study, structure-property relationships in the ironclad beetle (Zopherus nodulosus haldemani) exoskeleton are quantified to develop novel bio-inspired impact resistance technologies. The hierarchical structure of this exoskeleton was observed at various length scales for both the ironclad beetle pronotum and elytron. The exocuticle and endocuticle layers provide the bulk of the structural integrity and consist of chitiniber planes arranged in a Bouligand structure. The pronotum consists of a layered structure, while elytron consists of an extra layer with “tunnel-like” voids running along the anteroposterior axis along with smaller interconnecting “tunnel-like” voids in the lateral plane. Energy dispersive X-ray diffraction revealed the existence of minerals such as calcium carbonate, iron oxide, zinc oxide, and manganese oxide. We assert that the strength of this exoskeleton could be attributed to its overall thickness, the epicuticle layer thickness, the existence of various minerals embedded in the exoskeleton, and its structural hierarchy. The thickness of the exoskeleton correlates to a higher number of chitiniber planes to increase fracture toughness, while the increased thickness of the epicuticle prevents hydration of the chitiniber planes. In previous studies, the existence of minerals in the exoskeleton has been shown to create a tougher material compared to non-mineralized exoskeletons.

Bulk metallic glasses and multi-principal element alloys represent relatively new classes of multi-component engineering materials designed for satisfying multiple functionalities simultaneously. Correlating the microstructure with mechanical behavior (at the microstructural length-scales) in these materials is key to understanding their performance. In this study, the structure evolution and nano-mechanical behavior of these two classes of materials was investigated with the objective of fundamental scientific understanding of their properties. The structure evolution, high temperature nano-mechanical behavior, and creep of two Zr-based alloys was studied: Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22 (Vitreloy1) and Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6All0 (Vitreloy105). Devitrification was found to proceed via the formation of a metastable icosahedral phase with five-fold symmetry. The deformation mechanism changes from inhomogeneous or serrated flow to homogenous flow near 0.9Tg, where Tg is the glass transition temperature. The creep activation energy for Vitreloy1 and Vitreloy105 were 144 kJ/mol and 125 kJ/mol, respectively in the range of room temperature to 0.75Tg. The apparent activation energy increased drastically to 192 kJ/mol for Vitreloy1 and 215 kJ/mol for Vitreloy105 in the range of 0.9Tg to Tg, indicating a change in creep mechanism. Structure evolution in catalytic amorphous alloys, Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5 and Pd43Cu27Ni10P20, was studied using 3D atom probe tomography and elemental segregation between different phases and the interface characteristics were identified. The structure evolution of three multi-principal element alloys were investigated namely CoCrNi, CoCrFeMnNi, and Al0.1CoCrFeNi. All three alloys formed a single-phase FCC structure in as-cast, cold worked and recrystallized state. No secondary phases precipitated after prolonged heat treatment or mechanical working. The multi-principal element alloys showed less strain gradient plasticity compared to pure metals like Ni during nano-indentation. This was attributed to the highly distorted lattice which resulted in lesser density of geometrically necessary dislocations (GNDs). Dislocation nucleation was studied by low load indentation along with the evaluation of activation volume and activation energy. This was done using a statistical approach of analyzing the "pop-in" load marking incipient plasticity. The strain rate sensitivity of nanocrystalline Al0.1CoCrFeNi alloy was determined by in situ compression of nano-pillars in a Pico-indenter. The nanocrystalline alloy demonstrated a yield strength of ~ 2.4 GPa, ten times greater than its coarse grained counterpart. The nanocrystalline alloy exhibited high strain rate sensitivity index of 0.043 and activation volume of 5b3 suggesting grain boundary dislocation nucleation.

La microstructure des matériaux constitue un outil essentiel pour optimiser les propriétés mécaniques des structures et ainsi améliorer leurs performances. Les modèles de Cauchy ne sont pas toujours adaptés à la description de la réponse dynamique de certains matériaux microstructurés montrant des comportements mécaniques exotiques. Les théories de milieux continus généralisés peuvent être de bonnes candidates pour modéliser ces matériaux d’une façon plus précise et plus réaliste, aussi bien en statique qu’en dynamique, puisqu’elles peuvent décrire, même d’une façon simplifiée, la manifestation macroscopique de la présence d’une microstructure. Ce manuscrit est organisé comme suit : - Dans le chapitre 1 nous introduisons les aspects généraux de la mécanique des renforts fibreux.- Dans le chapitre 2 nous rappelons certains concepts fondamentaux concernant la mécanique des milieux continus classiques. De plus, nous introduisons les théories de deuxième gradient à l’aide du Principe des Travaux Virtuels.- Dans le chapitre 3 nous nous proposons de présenter une première modélisation des renforts fibreux de composites en mettant en place des modèles numériques discrets. Cette modélisation discrète permet de rendre compte de certains effets de la microstructure des renforts fibreux sur leur comportement macroscopique global. En particulier, il sera montré que la flexion locale des mèches à l’échelle mesoscopique a un effet non-négligeable sur le comportement macroscopique global de ces matériaux. Dans un deuxième moment nous introduisons une modélisation continue de deuxième gradient pour la description des mêmes matériaux et nous montrons que les termes d’ordre supérieur permettent une description satisfaisante des effets de flexion locale sur-cités.- Dans le chapitre 4 on particularise le cadre général de la mécanique des milieux continus introduit dans le chapitre 2 au cas particulier des milieux continus 2D. On mettra un accent fort sur l’interprétation géométrique des mesures de déformation de deuxième gradient qui seront directement reliées aux courbures dans le plan de certaines lignes matérielles. Ces lignes matérielles seront ensuite interprétées dans les chapitres suivantes comme décrivant les mèches des renforts fibreux de composites qu’on se propose d’étudier.- Dans le chapitre 5 nous introduisons une hypothèse cinématique forte sur les déformations admissibles, en supposant que les mèches du renfort considéré sont inextensibles. Cette hypothèse nous permettra de construire un modèle simplifié de premier gradient pour le comportement des renforts de composites 2D qui est encore représentatif de leur comportement mécanique. Une méthode numérique permettant de montrer certaines solutions concernant le cas du bias extension test est codée en Mathematica et les résultats obtenus sont discutés. / Dered materials in the simplest and more effective way. However, there are some cases in which the considered materials are heterogeneous even at relatively large scales and, as a consequence, the effect of microstructure on the overall mechanical behavior of the medium cannot be neglected. In such situations, Cauchy continuum theory may not be useful to fully describe the mechanical behavior of considered materials. It is in fact well known that such continuum theory is not able to catch significant phenomena related to concentrations of stress and strain and to specific deformation patterns in which high gradients of deformation occur and which are, in turn, connected to particular phenomena which take place at lower scales. Generalized continuum theories may be good candidates to model such micro-structured materials in a more appropriate way since they are able to account for the description of the macroscopic manifestation of the presence of microstructure in a rather simplified way. 
The present manuscript is organized as follows: In ch.1 a general description of fibrous composite reinforcements is given. In ch.2 some fundamental issues concerning classical continuum mechanical models are recalled. In ch.3 we start analyzing some discrete and continuum models for the description of the mechanical behavior of 2D woven composites. At this stage of the manuscript, we want to show how some discrete numerical simulations allowed us to unveil some very special deformation modes related to the effect of the local bending of fibers on the overall macroscopic deformation of fibrous composite reinforcements. Such discrete simulations showed rather clearly that microscopic bending of the fibers cannot be neglected when considering the deformation of fibrous composite reinforcements. For this reason, we subsequently introduced a continuum model which is able to account for such microstructure-related effects by means of second gradient terms appearing in the strain energy density. In ch.4 we reduce the general continuum mechanical framework introduced in ch.2 to the particular case of 2D continua. In ch.5 we introduce a strong kinematical hypothesis on the admissible deformations, assuming that the yarns composing the woven reinforcements are inextensible.

A compositionally graded Ti-xCr (10≤x≤30 wt%) alloy has been fabricated using Laser Engineered Net Shaping (LENSTM) to study the microstructural phase evolution along a compositional gradient in both as-deposited and heat treated conditions (1000°C followed by furnace cooling or air cooling). The alloys were characterized by SEM BSE imaging, XRD, EBSD, TEM and micro-hardness measurements to determine processing-structure-property relations. For the as-deposited alloy, α-Ti, β-Ti, and TiCr2 (C15 Laves) phases exist in varying phase fractions, which were influential in determining hardness values. With the furnace cooled alloy, there was more homogeneous nucleation of α phase throughout the sample with a larger phase fraction of TiCr2 resulting in increased hardness values. When compared to the air cooled alloy, there was absence of wide scale nucleation of α phase and formation of ω phase within the β phase due to the quicker cooling from elevated temperature. At lower concentrations of Cr, the kinetics resulted in a diffusionless phase transformation of ω phase with increased hardness and a lower phase fraction of TiCr2. In contrast at higher Cr concentrations, α phase separation reaction occurs where the β phase is spinodally decomposed to Cr solute-lean β1 and solute-rich β2 resulting in reduced hardness.