La rupture adhésive est un mécanisme de défaillance fréquemment observé sur les structures multicouches et les pièces revêtues dans les technologies actuelles telles que la microélectronique, le biomédical ou l’aérospatial. Selon l’application visée et les sollicitations en service rencontrées, des propriétés d’adhérence minimales sont attendues.Le CEA Le Ripault étudie la tenue mécanique de systèmes revêtement/substrat. Deux assemblages constitués d’un revêtement projeté plasma, l’un céramique et l’autre métallique, sur un substrat fragile en céramique sont étudiés. Ces revêtements disposent d’une microstructure et de propriétés mécaniques bien spécifiques liées au procédé d’élaboration. L’un des objectifs de cette thèse est de caractériser et quantifier l’adhérence des revêtements projetés plasma aux moyens d’essais mécaniques. Classiquement, les essais d’adhérence sont largement développés pour l’étude de l’adhérence de revêtements céramiques sur substrats ductiles, pour des applications de type barrières thermiques. Or la grande fragilité des substrats et des revêtements représente des difficultés supplémentaires à la mise en œuvre des essais d’adhérence. Afin de prévenir la rupture cohésive du substrat, les essais nécessitent un effort d’adaptation tenant compte des contraintes dimensionnelles et matérielles imposées par l’assemblage. Par ailleurs, afin de caractériser intégralement l’adhérence, différents modes de sollicitation sont balayés à travers différents essais d’adhérence : traction, cisaillement bi-entaillé, clivage en coin, flexion 4 points sur éprouvette entaillée, four-point bend End Notched Flexure test (4-ENF),…Le second objectif est de prédire l’amorçage et la propagation de fissures à l’interface afin de garantir la tenue mécanique des assemblages. Pour cela, une stratégie d’identification d’une loi d’interface, décrivant son comportement à la rupture, est proposée. Les Modèles de Zones Cohésives (MZC) sont adoptés pour modéliser le délaminage, sous le code éléments finis ABAQUS, à l’aide d’une loi traction-séparation bilinéaire. La comparaison entre les réponses macroscopiques numérique et expérimentale de chacun des essais d’adhérence effectué permet de calibrer chaque paramètre de la loi cohésive. Ainsi, la démarche expérimentale et numérique couplée permet d’obtenir des scénarios de rupture conformes aux observations expérimentales et d’évaluer l’intégrité de la structure soumise à une sollicitation thermique ou mécanique donnée. / Interfacial cracking is a recurrent failure mechanism observed in multilayer structures and coating systems using in various fields as microelectronics, biomedical engineering or aerospace. According to the aimed application and operating loadings, a minimum adhesion of the interface is expected.CEA Le Ripault studies the mechanical strength of coating/substrate systems. Two multilayer structures made of plasma sprayed coating layer, one ceramic and the other metallic, on a brittle ceramic substrate are studied. These plasma sprayed coatings have specifics microstructure and mechanicals properties linked to manufacturing process.One of the purposes of this work is to characterize and quantify plasma sprayed coatings adhesion through mechanical tests. Adhesion tests are widely developed for study the adhesion of ceramic coatings on ductile substrates for thermal barrier coatings applications. However the high brittleness of substrates and coatings constitutes an additional difficulty to implement adhesion tests. In order to prevent cohesive failure in substrate, adhesion tests require an adaptation taking materials and dimensionals constraints into account. Furthermore, in order to fully characterize the adhesion, different loadings modes are scanned through various adhesion tests: tensile test, shear test, wedge test, four-point bending test, 4-ENF…The second purpose is to predict crack initiation and propagation along the interface in order to guarantee multilayer mechanical strength. In that purpose, an interfacial law identification strategy is proposed to describe failure behavior. A Cohesive Zone Model (CZM) is adopted to model the delamination, using the finite element code ABAQUS, with a bilinear traction-separation law. The numerical and experimental macroscopic response comparison of each performed adhesion test allows to identify one cohesive law parameter. Thus, the coupled approach allows to model failure scenario in good agreement with experimental observations and assess the integrity of the assembled structure under a thermal or a mechanical loading.

Ce travail concerne l'étude de l'intégrité des matériaux ou des structures assemblées en s'intéressant à la modélisation du mécanisme de rupture à l'aide des modèles de zones cohésives (MZC). Cette approche présente l'avantage d'incorporer une longueur caractéristique dans la description de la rupture, ce qui permet notamment d'évaluer des effets de taille. Trois paramètres caractérisent ces MZC : la contrainte de traction Tmax à laquelle l'interface ou le matériau peut résister avant d'amorcer sa décohésion, l'ouverture critique à partir de laquelle une fissure est créée localement et finalement une loi traction-ouverture qui décrit la répartition des efforts cohésifs selon le mécanisme opérant.L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les paramètres cohésifs caractérisant la rupture interfaciale dans un joint de colle ou cohésif dans un matériau. Pour cela, une première étape était d'élaborer un modèle analytique, décrivant correctement la cinématique d'un essai DCB ou Wedge, pour caractériser la rupture mode I. Bien que le mode d'ouverture soit opérant, le champ de déplacement au voisinage de l'entaille n'est pas K-dominant pour ces essais, du moins pas toujours. Plusieurs lois de traction-ouverture ont été considérées afin d'étudier leur influence sur la réponse locale et globale de l'essai. Une méthodologie d'identification inverse a été proposée à partir d'un modèle analytique, qui consiste à extraire les paramètres cohésifs en minimisant l'erreur au sens des moindres carrés entre les déflections analytique et numérique. Une fois validée, elle a été par la suite appliquée à un cas réel, qui est l'essai d'insertion de lame. La mesure du champ de déplacement expérimental est possible grâce à une mesure du champ de déplacement par corrélation d'image.Une analyse approfondie a été aussi consacrée à l'étude de la "Process Zone" pour un essai DCB ou Wedge. Cette étude met en évidence la variation de Lcz en fonction de la géométrie des éprouvettes, des propriétés de la zone cohésive, des propriétés mécaniques du matériau ou encore la forme de la loi traction-ouverture utilisée. Une nouvelle expression pour estimer Lcz est établie pour les zones cohésives rectangulaires et triangulaires.Une deuxième approche d’identification locale, basée sur le travail de Réthoré et Estevez (2013), a été aussi proposée et discutée. Elle a été mise en oeuvre pour un essai d'insertion de lame, avant d'être appliquée à un essai de flexion 4 points entaillé. Un aller-retour entre simulation numérique et résultat expérimental permet d'identifier les propriétés cohésives du matériau ou de l'interface / This work concerns the study of materials and assemblies structures integrity using cohesive zone model (CZM) to analyze fracture. These models have the advantage to incorporate a characteristic length in the description of fracture initiation and propagation, which can lead to size effects studies. Three parameters characterize the CZM : the maximal cohesive traction Tmax to which the interface or the material can resist before the onset of debonding, the critical crack opening from which a crack is created locally and finally the traction-separation law which describe the cohesive traction distribution depending on fracture process.The main purpose of this thesis is to identify the cohesive zone parameters describing fracture at the interface or in the material. The first step was to elaborate an analytical model which can describe properly the DCB or Wedge Test kinematic, to characterize mode I fracture. Despite the fact of mode I fracture, the displacement field near the crack-tip is not K-dominant for these tests, at least not always. Various traction-separation laws were considered in order to study their influence on the local and global response of the test. An inverse identification methodology has been proposed from the analytical model, which can extract cohesive parameters through a least square error minimization between numerical and analytical deflection. Once validated, it was subsequently applied to a real Wedge test. The experimental displacement field measurement was done due to digital image correlation measurement.A deep analysis to evaluate the fracture process zone length has been also dedicated in the case of Wedge or DCB Tests. This analysis shows that Lcz is not an intrinsic interface or materials property and it can vary depending on the sample's geometry, the cohesive zone properties or the traction-separation law. A new expression to determine Lcz was established for rectangular and triangular cohesive zone.A second local identification approach, based on the work of Réhoré and Estevez (2013), has been also proposed. It was implemented to analyze the Wedge test, before applying it to a notched four points bending test. A round trip between numerical simulations and experimental results allow identifying the cohesive properties in the materiel or at the interface.