Les céramiques sont sensibles à la fissuration lente qui résulte de l'effet conjoint entre un chargement mécanique et l'environnement (taux d'humidité et température). A partir d'études atomistiques disponibles dans la littérature, un modèle cohésif représentant localement la rupture assistée par l'environnement est proposé dans le cadre d'une formulation thermiquement activée. Nous montrons que cette description est capable de rendre compte de la fissuration lente en fatigue statique de monocristaux de céramiques, ainsi que la fissuration lente intergranulaire de polycristaux. Nous soulignons qu'une représentation de la fissuration lente avec la vitesse de propagation V en fonction du taux de restitutions d'énergie G rend compte des caractéristiques intrinsèques de la cinétique de rupture et est préférable à une présentation V-K. Le modèle cohésif permettant d'incorporer une longueur caractéristique dans la description, des effets de taille de grains sont explorés. La prise en compte des contraintes initiales d'origine thermique liées à l'élaboration est nécessaire pour prédire de manière réaliste l'accroissement du seuil de chargement en-dessous duquel aucune propagation n'a lieu ainsi que la résistance à la fissuration lente avec la taille de grains augmentant. La vitesse fissuration lente et le seuil de chargement K0 sont sensibles à l'environnement et notamment à la température et à la concentration d'eau. En augmentant la concentration d'eau et/ou la température, le seuil K0 diminue et la vitesse de fissuration lente augmente. Pour rendre compte de l'influence du taux d'humidité sur la fissuration lente, il est nécessaire de considérer une énergie d'activation ainsi qu'un seuil d'amorçage du mécanisme de réaction-rupture diminuant avec la concentration locale en eau. L'effet de la température est prédit de manière réaliste avec le modèle cohésif proposé et en tenant compte des contraintes initiales thermiques. Nous avons comparé les réponses en fissuration lente de l'alumine et de la zircone et montré qu'intrinsèquement et en l'absence de transformation de phase, la zircone résiste mieux à la fissuration lente que l'alumine. A partir de ces résultats, nous avons abordé l'étude de la fissuration lente de céramiques élaborées par projection plasma. Un endommagement initial de la microstructure à l'échelle des splats est observé sans qu'il n'influence la fissuration lente intra-splats en termes V-G. / Ceramic materials are prone to slow crack growth (SCG)due to the combined effect of the mechanical loading and the environment (moisture and temperature).Based on atomistic studies available in the literature,a thermally activated cohesive model is proposed to represent the reaction-rupture mechanism underlying slow crack growth. The description is shown able to capture SCG under static fatigue on ceramic single crystals as well as intergranular SCG in polycrystals.We emphasize that the representation of SCG with the crack velocity versus the energy release rate G accounts for the intrinsic characteristics of SCG, which is preferable than a usual plot with V-K curves.The cohesive model incorporates a characteristic length scale, so that size effects can be investigated. SCG is grain size dependent with the decrease of the crack velocity at a given load level and improvement of the load threshold with the grain size. To capture this observation, account for the initial thermal stresses related to the processing is mandatory. SCG is also dependent on the concentration of water with an increase of the crack velocity and a decrease of the load threshold with the relative humidity increasing. To predict this effect, the cohesive description needs to account for activation energy and a threshold to trigger the reaction-rupture that depends on the concentration of water. The influence of the temperature on SCG shows an increase in the crack velocity and a decrease of the load threshold for SCG due to the reduction in the initial thermal stresses. The SCG behavior of the alumina and zirconia is compared. Zirconia exhibits a better resistance to SCG compared to that of alumina, in the absence of any phase transformation due to lower kinetics of its reaction-rupture. Based on these results, SCG is investigated in plasma sprayed ceramic. An initial damage at the scale of the splats is observed without effect on load threshold G0 for SCG in V-G plots.

Dans un contexte d’évaluation de la criticité des chargements, les travaux de thèse ont les objectifs suivants : prendre en compte les phénomènes sous-jacents à le rupture ductile : les phénomènes de dissipation volumique (plasticité et endommagement) et surfaciques (fissuration). On s'intéresse également à régulariser la solution vis-à-vis du maillage, à prédire le phénomène de transition de mode de rupture plan vers un mode de propagation oblique observé pour certains essais. La méthode utilisée est basée sur la méthode des discontinuités fortes. Un des enjeux majeurs de ces travaux est d’étendre son champ d'application au cadre de la modélisation de la rupture ductile, notamment en présence de plasticité et d'endommagement dans le volume. Une première partie des travaux est consacré à l'établissement d'un modèle en hypothèse de petites déformations, avec un modèle matériau de plasticité et d'endommagement couplé de Lemaitre pour le volume et un modèle cohésif endommageable pour le comportement surfacique. Les deux modes de rupture I et II ont été considérés dans les essais numériques. Des résultats montrant les capacités de régularisation de la méthode employée ont été présentés pour divers essais. Une seconde partie des travaux a été consacré à la formulation d'un modèle en hypothèse de grandes transformations, avec également des résultats probants en termes de régularisation de la dépendance à la taille de maille. Les deux éléments présentés ont été implémentés en formulation implicite et explicite, dans FEAP (Finite Element Analysis Program), logiciel académique développé à UC Berkeley par Taylor, et plus récemment dans le logiciel de calcul Eléments Finis Abaqus. / In the context of loadings criticality analysis, the thesis work have the following objectives : to take into account the underlying phenomena to ductile fracture : the volumetrie (plasticity and damage) and surfacic (fracture) dissipativ mechanisms. We also aim at regularizing the solution with regards to meshing, predicting the transition from a straigh crack propagation to a slant fracture mode observed for certain tests. The chosen method relies on the stron discontinuity method. One of the major challenges of this work is to extend its framework to the ductile fractur modeling framework, by accounting for plasticity and damage in the bulk. The first part of this work is dedicated to th establ'ishment of a model in small strain hypothesis, with a material model that takes into account coupied plasticity an damage in the QUik and a damageable model for the cohesive surfacic behavior. Both modes 1 and Il have been taken int) account in thnumerical examples. Results attesting the regularizing capabilities of the method are presented fo different tests. The second part of this work is dedicated to the formulation of a finite strain mode!, and results showin the good regularizing capabilities of the method are also shown. Both elements have been implemented in FEAP (Finit Element Analysis Program), an academie software developed at UC Berkeley by Taylor, and more recently in the finit element software Abaqus.

Le sujet concerne l’influence des effets tridimensionnelles sur les champs de déformation et de contrainte au voisinage d’une éprouvette chargée en mode I. La loi de comportement caractéristique des polymères amorphes avec un seuil d’écoulement viscoplastique suivi d’un adoucissement et d’un durcissement à mesure que la déformation augmente est prise en compte. La loi est implantée dans une UMAT abaqus. Les champs au voisinage de l’entaille sont analysés et les résultats 3D comparés à ceux correspondant à un calcul 2D sous l’hypothèse de déformation plane. L’influence de l’épaisseur de l’échantillon est étudiée et nous montrons qu’au-delà d’un rapport épaisseur t sur rayon d’entaille rt, t/rt>20, les champs de déformation plastique sont qualitativement similaires entre les calculs 3D et 2D. En revanche, nous montrons que la répartition des contraintes et notamment celle de la contrainte moyenne est sur-estimée avec un calcul 2D en comparaison à une simulation 3D. Nous prenons en compte par la suite la rupture par craquelage, modélisée avec un modèle cohésif. Une étude paramétrique est menée afin de définir une procédure d’identification des paramètres caractéristiques du modèle cohésif. Par ailleurs les simulations montrent qu’au-delà d’un rapport t/rt supérieur à 20, une ténacité minimum peut être estimée : ceci constitue un résultat important pour la détermination expérimentale de la ténacité des polymères ductiles. / We investigate 3D effect of crack tip palsticity and the influence of the thickness on 3D glassy polymer fracture. The characteristuc constitutive law with a viscoplastic yield stress followed by softening and progressive hardening is accoutne for and implemented in a UMAt routine, in abaqus. The crack tip fields are investigated and 2D plasne strain versus 3D calculations compared. Qualitatively, the palstic distribution are comparableas soon as the ratio thickness over crack tip radius is larger than 20. However, the 2D calculations over estimate the stress distribution compared to the 3D cases. We have accounted for failure by crazing that is described with a cohesive models. A parametric study sheds light on the methodology to use for the calibration of the cohesive parameters. The simulations show that for a ratio thickness over craci tip radius larger than 20, a minimum tuoghness can be observed. This results has implication on the definition of a thickness larger enough experimentally.

Les composants d’électronique de puissance ont (et vont encore avoir !) eu une grande influence sur les secteurs de l'énergie et des transports. Ces pièces sont notamment constitués d’assemblages céramique –cuivre pour lesquels la tenue mécanique doit être maîtrisée afin de garantir dans le future une durabilité d’environ 30 ans sous l’action de cycles thermiques plus en plus grande. Une analyse des mécanismes de défaillance des assemblages DBC (Direct Bonding Copper) utilisés en électronique de puissance est étudiée (le délaminage le long de l’interface cuivre -céramique et/ou la rupture fragile de la céramique). Pour identifier le comportement élastoplastique du cuivre, nous avons montré qu’il est nécessaire d’utiliser une plaque de cuivre ayant subi l’ensemble des traitements thermiques liés au processus d’assemblage. Le comportement élastique fragile de la céramique est décrite dans le cadre d’une statistique de Weibull. Dès lors, une caractérisation du délaminage cuivre-céramique sous flexion quatre points a permis d’identifier un modèle cohésif pour l’interface. La calibration des paramètres cohésifs est menée en utilisant les données à deux échelles : i) macroscopique de force-déplacement ii) locale de suivi optique de la fissuration avec le déplacement imposé. L’intégrité mécanique des assemblages DBC pour différentes épaisseurs des couches de cuivre et de céramique a été étudié. Nous avons montré que les configurations avec un rapport proche de l’unité sont les plus dangereuses en engendrant un délaminage, qui se poursuit sous cyclage thermique. Ce dernier peut être notablement réduit en structurant le pourtour de la surface de cuivre avec des trous cylindriques répartis périodiquement. Ainsi, un modèle éléments finis permettant d’évaluer les assemblages les plus prometteurs en terme de durabilité a été établie. En l’absence de défauts géométrique, la couche de cuivre reste intègre, même dans le cas d’un délaminage dont le front induit une concentration de contrainte. / The power electronics components (and still will have!) have a great influence on the energy and transport sectors. These parts are made of ceramic-copper assemblies for which the mechanical strength must be controlled to ensure durability about 30 years under the thermal cycles increasingly larger. A failure mechanisms analysis in DBC (Direct Copper Bonding) assemblies used in power electronics is studied (the delamination along the interface copper - ceramic and/or the brittle ceramic fracture). To identify the elastoplastic behavior of copper, we showed that it’s necessary to use a copper plate having undergone the heat hole treatments related to the assembly process. The ceramic gragile elastic behavior is descrobed within the Weibull statictics framework. Consequently, a copper-ceramic delamination characterization under four points bending made it possible to identify a cohesive model for the interface. The cohesive calibration parameters is carried out by using the data in two scales: i) strentgh-displacement macroscopic ii) local cracking optical follow-up with imposed displacement. The mechanical integrity of DBC assemblies of different thickness of copper and ceramic has been studied. We showed that the configurations with a ratio close to the unit are most dangerous by generating a delamination, which continues under thermal cycling. This risk of delamination can be notably reduced by structuring the copper circumference surface with cylindrical holes distributed periodically. Thus, a finite elements model allowing us to evaluate the most promising assemblies in term of durability, was estabilshed. In the absence of geometrical defects, the copper layer must remains, even in the delamination case whose face induces a concentration stress.