Prior finance literature lacks a comprehensive analysis of microstructure characteristics of U.S. futures markets due to the lack of data availability. Utilizing a unique data set for five different futures contract this dissertation fills this gap in the finance literature. In three essays price discovery, resiliency and the components of bid-ask spreads in electronic futures markets are examined. In order to provide comprehensive and robust analysis, both moderately volatile pre-crisis and volatile crisis periods are included in the analysis. The first essay entitled “Price Discovery and Liquidity Characteristics for U.S. Electronic Futures and ETF Markets” explores the price discovery process in U.S. futures and ETF markets. Hasbrouck’s information share method is applied to futures and ETF instruments. The information share results show that futures markets dominate the price discovery process. The results on the factors that affect the price discovery process show that when volatility increases, the price leadership of futures markets declines. Furthermore, when the relative size of bid-ask spread in one market increases, its information share decreases. The second essay, entitled “The Resiliency of Large Trades for U.S. Electronic Futures Markets,“ examines the effects of large trades in futures markets. How quickly prices and liquidity recovers after large trades is an important characteristic of financial markets. The price effects of large trades are greater during the crisis period compared to the pre-crisis period. Furthermore, relative to the pre-crisis period, during the crisis period it takes more trades until liquidity returns to the pre-block trade levels. The third essay, entitled “Components of Quoted Bid-Ask Spreads in U.S. Electronic Futures Markets,” investigates the bid-ask spread components in futures market. The components of bid-ask spreads is one of the most important subjects of microstructure studies. Utilizing Huang and Stoll’s (1997) method the third essay of this dissertation provides the first analysis of the components of quoted bid-ask spreads in U.S. electronic futures markets. The results show that order processing cost is the largest component of bid-ask spreads, followed by inventory holding costs. During the crisis period market makers increase bid-ask spreads due to increasing inventory holding and adverse selection risks.

The microstructure of high-strength weld deposits has been investigated using thermodynamic analysis and phase transformation theory, backed by experimental confirmation. The microstructures of both the fusion and reheated zones of multirun alloy-steel weld deposits have been studied. The transformation mechanism of acicular ferrite has been established, and a theory for reaustenitisation in steel weld deposits has also been proposed. In addition to the studies on weld metals, some model alloys were fabricated and tested in order to confirm some of the predictions made by the new theory for reaustenitisation. All the weld metals studied in the investigation possess good hardenability. The primary microstructures of the fusion zone of these deposits consist mainly of acicular ferrite with very little allotriomorphic ferrite.

Cette thèse porte sur l'étude de modélisation stochastique de carnet d'ordres, et de deux problèmes de contrôle stochastique dans un contexte de risque de liquidité et d'impact sur le prix des actifs. La thèse est constituée de deux parties distinctes.Dans la première partie, nous traitons, sous différents aspects, un modèle markovien de carnet d'ordres.En particulier, dans le chapitre 2, nous introduisons un modèle de représentation par profondeur cumulée. Nous considérons différents types d'arrivées d'évènements avec une dépendance de l'état courant.Le chapitre 3 traite le problème de stabilité du modèle à travers une approche semi-martingale pour la classification d'une chaîne de Markov dénombrable. Nous donnons, pour chaque problème de classification, une calibration du modèle à partir des faits empiriques comme le profil moyen de la densité du carnet d'ordres.Le chapitre 4 est consacré à l'estimation et à la calibration de notre modèle à partir des flux de données du marché. Ainsi, nous comparons notre modèle et les données au moyen des faits stylisés et des faits empiriques. Nous donnons une calibration concrète aux différents problèmes de classification.Puis, dans le chapitre 5, nous traitons le problème de liquidation optimale dans le cadre du modèle de représentation par profondeur cumulée.Dans la deuxième partie, nous proposons une modélisation d'un problème de liquidation optimale d'un investisseur avec une résilience stochastique. Nous nous ramenons à un problème de contrôle stochastique singulier. Nous montrons que la fonction valeur associée est l'unique solution de viscosité d'une équation d'Hamilton-Jacobi-Bellman. De plus, nous utilisons une méthode numérique itérative pour calculer la stratégie optimale. La convergence de ce schéma numérique est obtenue via des critères de monotonicité, de stabilité et de consistance. / This thesis deals with the study of stochastic modeling of limit order book and two stochastic control problems under liquidity risk and price impact. The thesis is made of two distinct parts.In the first part, we investigate markovian limit order book model under different aspects. In particular, in Chapter 2, we introduce a model of cumulative depth representation. We consider different arrival events with dependencies on current state. Chapter 3 handles the model stability problem through a semi-martingale approach for the denumerable Markov Chain classification. We give for each problem a model calibration from empirical facts such as mean average profile of limit order book density. Chapter 4 is dedicated to the model estimation and model calibration by means of market data flow. Thus, we compare our model to market data through stylized facts and empirical facts. We give a concrete calibration to the different stability problems. Finally, in Chapter 5, we handle the optimal liquidation problem in the cumulative depth representation model framework.We study, in the second part, an optimal liquidation problem of an investor under stochastic resilience. This problem may be formulated as a stochastic singular control problem. We show that the associated value function is the unique viscosity solution of an Hamilton-Jacobi-Bellman equation. We suggest an iterative numerical method to compute the optimal strategy. The numerical scheme convergence is obtained through the monotonicity, stability and consistancy creteria.

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La microstructure de l'émail est étudiée depuis longtemps, mais ses modalités de formation sont encore floues. J'ai employé une approche multi-disciplinaire alliant paléontologie et biologie cellulaire dans une perspective évolution-développement afin de parvenir à une vision intégrée et en profondeur de la microstructure, de sa morphologie et de ses modes de formation. J'ai ainsi pu décrire en 2D l'évolution de la microstructure chez un grand groupe de mammifères fossiles et actuels, les cétartiodactyles, qui ont révélé que tous les caractères de l'émail ne se valent pas, et font état de différentes contraintes développementales les rendant plus ou moins labiles aux changements évolutifs. J'ai également travaillé au niveau cellulaire et en 3D avec des modèles actuels, en particulier des rongeurs, sur les rapports entre les prismes d'émail et leurs cellules sécrétrices, les améloblastes, révélant que l'agencement de ces derniers contribue en grande part à la morphologie de la microstructure. Enfin, j'ai réalisé une démarche de synthèse, en proposant un modèle de la microstructure de l'émail chez les mammifères sur la base de mes données 2D+3D. Il en est ressorti d'une part un nouveau logiciel de reconstruction virtuelle de la microstructure, Simulémail, et il a été mis en évidence différents moyens de générer la décussation chez les mammifères, ainsi que les probables mécanismes développementaux sous-jacents. / I approached enamel microstructure's morphology and modes of formation with a dual angle, combining paleontological and cellular biology observations, in 2D and 3D. Studying microstructure of extinct and extant Cetartiodactyla in a phylogenetic context, I discovered that some enamel characters are more likely to evolve and change than others, which is linked to different developmental constrains. I also explored microstructure through the relationship between enamel prisms and ameloblasts, the enamel-secreting cells, showing that the arrangement of the cells is directly associated with the prisms'. Then, combining these data, I constructed a model of mammalian enamel microstructure based on 2D and 3D observations and suggested underlying cellular mechanisms, and created a new software dedicated to enamel reconstruction, Simulémail, based on this model. It helped to show that microstructure is not always created the same way for different mammals, and allowed to explore enamel characters efficiently.

Le soudage FSW (Friction Stir Welding) est un procédé de soudage à l’état solide appliqué aujourd’hui dans les secteurs des transports aérospatial, naval et ferroviaire. Il présente l’avantage de fournir des soudures aux propriétés mécaniques meilleures que celles des procédés de soudage par fusion de la matière. La plupart des études menées sur ce procédé concernent les alliages d’aluminium. Ce travail porte sur l’étude des phénomènes thermomécaniques et métallurgiques pendant le procédé de soudage FSW du TA6V. L’influence de la microstructure initiale sur les propriétés mécaniques et la microstructure finale est étudiée à travers une étude expérimentale. La ZAT et la ZATM des soudures ont une très faible épaisseur et les soudures ne présentent pas de zone de fragilité. La genèse de la microstructure pendant le soudage a été identifiée et s’articule en trois points: changement de phase α → β, recristallisation dynamique continue de la phase β, formation de grains α à l’intérieur des grains β recristallisés. Afin de mettre en place un modèle permettant de prédire la microstructure dans le noyau de la soudure, des essais de torsion à chaud ont été réalisés pour déterminer les propriétés rhéologiques du TA6V. Ces essais ont aussi permis de mettre en place une loi de comportement analytique du TA6V. Les champs de vitesse sont formulés analytiquement à partir des équations de la mécanique des fluides et les champs thermiques sont déterminés numériquement à partir d’une formulation eulérienne. / Friction Stir Welding (FSW) is a solid state welding process used today in the aerospace, naval and rail transport sectors. It has the advantage of providing welds with better mechanical properties than fusion welding processes. Most of studies carried out on this process concern aluminum alloys. This work focuses on the study of thermomechanical and metallurgical phenomena during FSW of the Ti-6Al-4V alloy. The influence of the initial microstructure on the mechanical properties and the final microstructure is studied through an experimental study. The HAZ and TMAZ of the welds are very thin and the welds didn’t present any weak zone. The genesis of the microstructure during the process has been identified and is made up with three main steps: α → β phase change, continuous dynamic recrystallization of the β phase and formation of α grains within the recrystallized β grains. In order to set up a model to predict the microstructure in the weld nugget, hot torsion tests were performed to determine the rheological properties of TA6V. These tests also made it possible to set up an analytical behavior law of Ti-6Al-4V. The velocity fields during FSW are formulated analytically from the equations of fluid mechanics and thermal fields are determined numerically from a eulerian formulation.

Parmi la diversité des types microstructuraux que l’on peut trouver dans les coquilles des Mollusques, les architectures entrecroisées (lamellaire-croisé, lamellaire-croisé complexe, folié-croisé) sont de loin les plus abondantes. Mais elles restent, de par leurs organisations tridimensionnelles complexes, peu documentées : la majorité des études de biominéralisation, et les différents modèles qui en découlent, sont en effet essentiellement basés sur des architectures plus simples (telles que les couches nacrées ou prismatiques). Or il convient, si l'on souhaite aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes fondamentaux qui dirigent la minéralisation de ces biocarbonates, de vérifier dans quelle mesure les modèles développés à partir de coquilles ”simples” sont aussi applicables à des organisations microstructurales plus complexes. Cette étude se focalise donc sur les couches entrecroisées des coquilles de quelques Mollusques, dans le but de mettre en évidence les différents niveaux du contrôle biologique que l'organisme exerce sur leur formation et leur croissance. À cette fin, des techniques de caractérisation in-situ des assemblages organiques sont privilégiées, en relation étroite avec l’analyse des organisations microstructurales et des mécanismes de biocristallisation à fine échelle. Quelques aspects de la diagénèse de ces microstructures seront aussi abordés, à travers l’étude de coquilles fossiles de Patella sp (~100 ka) et Velates perversus (~50 Ma). / Among the variety of microstructural types that can be found within Molluscs shells, intercrossed structures (crossed-lamellar, complex crossed-lamellar and cross-foliated) are by far the most commonly found. They are, however, still poorly documented - mainly due to their complex 3D organization. The majority of biomineralization studies, and the resulting models, are indeed essentially based on simple architectures (such as nacreous or prismatic layers). In order to achieve a better understanding of the fundamental mechanisms that drive the mineralization of such biocarbonates, it is therefore mandatory to check to which extent models developed from « simple » shells stay consistent when applied to more complex microstructural organizations. The present study focuses on intercrossed layers of several Mollusk shells, in order to highlight the various levels of biological control exerted by the organism on their formation and growth. In-situ techniques are used to characterize biochemical compositions, in close correlation with microstructural patterns, as well as fine-scale biocrystallization processes. Some peculiar features of the diagenesis of these microstructures are illustrated, through the study of fossil shells from Patella sp (~100 ky) and Velates perversus (~50 My).

Les fils d’acier perlitiques tréfilés ont une limite à rupture en traction qui peut dépasser 4000 MPa. Ils sont ensuite assemblés sous forme de câble, avec des contraintes de traction – torsion – flexion, où les plus résistants peuvent présenter un manque de ductilité.La première partie de ce travail permet d’identifier que la torsion est la sollicitation mécanique la plus critique, et la délamination le mode de rupture associé. Le mécanisme de rupture par délamination en torsion est ensuite étudié, à partir de la compréhension de l’influence du tréfilage sur les contraintes résiduelles, les défauts et fissures en surface, le type de microstructure et les textures. Cette approche démontre l’existence d’une taille de défauts et d’une contrainte critiques pour l’apparition de fissures de délamination. Les phénomènes de déformation et de rupture sont finalement décrits à l’échelle de la microstructure. Trois étapes sont nécessaires à la délamination : la localisation de la déformation et une fissuration longitudinale, la propagation d’une fissure instable dans la section, et la propagation longitudinale de la fissure. Si la première étape est associée aux imbrications des microstructures en « ciels de Van Gogh » et à l’anisotropie de structure, la seconde étape est plus directement liée aux niveaux de contraintes dans les zones de localisation en cisaillement et à la taille des défauts propagés. La dernière étape résulte des contraintes de cisaillement en jeu et de l’anisotropie microstructurale.En conclusion, la mise en évidence des étapes d’amorçage et de propagation des fissures permet de prouver l’impact du champ de contraintes résiduelles et de la taille des défauts sur la délamination en torsion des fils perlitiques tréfilés, et d’identifier le rôle essentiel de la microstructure à l’échelle locale. Une des perspectives serait alors la recherche de microstructures moins sensibles à la localisation de la déformation, ainsi que la propagation de fissures. / Drawn pearlitic steel wires have a remarkable tensile strength, which can reach 4000 MPa. After drawing, however, wires have to pass through the cabling step where they undergo traction – torsion – bending solicitations. Under such loading conditions the wires that are the most effective in tension tend to lack ductility.First, torsion was identified as the most critical solicitation, and delamination as the associated rupture mode. Then, the formation of delamination cracks in torsion was examined, as well as the impact of some drawing parameters on properties influencing the formation of cracks, such as residual stresses, defects and cracks on the wire surface, microstructure type and textures. Conclusions were drawn on the existence of a critical defect size and residual stress level for the propagation of a delamination crack transverse to the wire section. A study at the microscopic scale showed three successive steps to be needed for a delamination crack to propagate: shear localization accompanied with longitudinal cracking, unsteady crack propagation across the wire’s cross-section and longitudinal crack propagation. A curled microstructure, also named “Van Gogh skies”, in addition to structural anisotropy make shear deformation in the wire section difficult, and thus favor localization. The stability of the crack across the section is most influenced by macroscopic mechanical parameters such as stress level in localization’s zones and size of propagated cracks. The last longitudinal propagation step is more related to the torsional shear stress and to the microstructural anisotropy.In conclusion, a phenomenology for delamination of high strength pearlitic steel wires was outlined. It allows one to demonstrate the impact of the residual stress field and of the crack size in addition to identifying the influence of the microstructure. An interesting future perspective of this study could be the investigation of microstructures less sensitive to shear localization and to crack propagation.

Dans le cadre de l’utilisation potentielle d’oxydes mixtes d’actinides au sein des réacteurs nucléaires de 3ème et 4ème générations, des solutions solides de formules générales U1-xThxO2, U1-xCexO2-y, U0,75Nd0,25O1,875, U0,75Gd0,25O1,875 et Th0,75Nd0,25O1,875 ont été préparées par conversion thermique de précurseurs oxalate. Préalablement à l’évaluation de la durabilité chimique des matériaux, une étape de frittage a été entreprise afin d’obtenir des pastilles denses présentant diverses propriétés physico-chimiques et microstructurales d’intérêt (composition, homogénéité, taux de densification, …) L’étude multiparamétrique de la dissolution, conduite en milieux nitrique, sulfurique et chlorhydrique a souligné l’impact important de la composition chimique au sein du matériau sur la durabilité chimique des échantillons. En effet, plusieurs paramètres (ordres partiels par rapport à l’activité en protons, énergie d’activation apparente, …) ont confirmé une modification significative du mécanisme de dissolution prépondérant pour les échantillons enrichis en uranium. Par ailleurs, le rôle important joué par certaines espèces azotées à l’interface solide/solution a également été démontré. L’évolution de l’interface solide/solution (surface réactive, composition) en cours de dissolution a également été suivie à travers une étude operando par Microscopie Electronique à Balayage en mode Environnemental. Cette étude a souligné l’existence de zones préférentielles de dissolution (jonctions triples, joints de grains, porosités inter- et intragranulaires) pour les échantillons les moins riches en uranium ; laquelle s’accompagne d’une forte augmentation de la surface réactive. En raison d’un phénomène prépondérant d’oxydation de l’uranium(IV) à l’interface, la dissolution des échantillons enrichis en uranium apparaît nettement plus homogène. / In the field of the use of actinides mixed oxides as potential fuels for the Gen(III) and Gen(IV) nuclear reactors, solid solutions with general formula U1-xThxO2, U1-xCexO2-y, U0.75Nd0.25O1.875, U0.75Gd0.25O1.875 and Th0.75Nd0.25O1.875 were prepared by thermal conversion of oxalate precursors. Dense pellets exhibiting various physico-chemical and microstructural properties (in terms of composition, homogeneity, densification rate, …) were prepared through sintering then submitted to dissolution tests.The multiparametric study of the dissolution, performed in nitric, sulfuric and hydrochloric media clearly underlined the important effect of the chemical composition on the chemical durability of the samples. Indeed, several parameters (including partial order related to proton activity, apparent activation energy) confirmed the significant modification of the preponderant dissolution mechanism for uranium-enriched samples. Moreover, the role of various nitrogen-based species was evidenced at the solid/solution interface.The evolving of solid/solution interfaces (reactive surface area, composition) during dissolution was monitored by the means of operando ESEM experiments. Preferential dissolution zones (triple junctions, grain boundaries, inter- and intra-granular porosities) were clearly observed for uranium-depleted samples. They induce a significant increase of the reactive surface area even for short progress of the reaction. On the contrary, the dissolution appeared more homogenous for uranium-enriched samples due to the existence of a preponderant mechanism associated to the oxidation of the uranium(IV) at the interface.