Parmi les procédés de mise en forme de pièces industrielles, la métallurgie des poudres autorise une haute cadence de production avec une faible perte de matière première. L'élaboration de composants multi-matériaux par compression et frittage permet de minimiser le nombre d'étapes de conception afin de combiner des propriétés complémentaires. L'objet de cette thèse est l'étude d'un procédé de compression innovant qui peut augmenter la cadence de production et diminuer les contraintes sur l'outillage : la CGV (compression grande vitesse), et de l'appliquer à la mise en forme de pièces multimatériaux. Une presse à grande vitesse a été développée au laboratoire afin d'étudier l'influence de la CGV sur deux couples de matériaux : un couple base Fe / base WC, associant dureté et ténacité, un couple Acier 1.4313 / Stellite 6 associant résistance mécanique et résistance à la corrosion. Des modélisations numériques des procédés de compression conventionnelle et CGV ont été réalisées dans le but de mieux analyser les phénomènes observés et de prévoir le comportement en compression de plusieurs poudres simultanément. Ce travail aboutit à des recommandations pour la mise en oeuvre de la compression de composants multi-matériaux et met au jour quelques caractéristiques de la CGV.

Parmi les procédés de mise en forme de pièces industrielles, la métallurgie des poudres autorise une haute cadence de production avec une faible perte de matière première. L'élaboration de composants multi-matériaux par compression et frittage permet de minimiser le nombre d'étapes de conception afin de combiner des propriétés complémentaires. L'objet de cette thèse est l'étude d'un procédé de compression innovant qui peut augmenter la cadence de production et diminuer les contraintes sur l'outillage : la CGV (compression grande vitesse), et de l'appliquer à la mise en forme de pièces multimatériaux. Une presse à grande vitesse a été développée au laboratoire afin d'étudier l'influence de la CGV sur deux couples de matériaux : un couple base Fe / base WC, associant dureté et ténacité, un couple Acier 1.4313 / Stellite 6 associant résistance mécanique et résistance à la corrosion. Des modélisations numériques des procédés de compression conventionnelle et CGV ont été réalisées dans le but de mieux analyser les phénomènes observés et de prévoir le comportement en compression de plusieurs poudres simultanément. Ce travail aboutit à des recommandations pour la mise en oeuvre de la compression de composants multi-matériaux et met au jour quelques caractéristiques de la CGV. / Among industrial shape processes, powder metallurgy has a high production rate associated to low waste of materials. Manufacturing of multi-material components by die pressing and sintering is useful to reduce the production cycle in order to combine complementary properties. The aim of this thesis is to study an innovative compaction process which can increase production rate and reduce stresses applied on tools: the HVC (High Velocity Compaction), and use it to shape multi-material components. A HVC device has been developed in our laboratory to investigate the influence of HVC on two couples of powders : A couple Fe / WC which combines toughness and hardness properties, a couple 1.4313 steel/Stellite 6 with mechanical resistance associated to corrosion resistance. Numerical simulations of conventional and HVC compaction process have been achieved to analyze phenomenon and predict the behavior of multi-materials components during compaction. This work ends in recommendations for the implementation of the compression of multimaterials components and brings to light some characteristics of the CGV.

Le processus de conception d’un multimatériau impliquant à la foisl'architecture et les matériaux représente une tâche difficile en raison du nombre élevé deconfigurations possibles. Ce processus oblige les concepteurs d'une part à développer desapproches nouvelles, mais aussi à développer de nouveaux outils. Ainsi ce travail proposeune nouvelle méthode pour la conception de matériaux architecturés. Un matériauarchitecturé, ou multimatériau, peut être défini par son architecture, ses matériauxconstitutifs associés à leurs fractions volumiques et la nature de leurs interfaces. Laconception d'un multimatériau est basée sur le choix de nombreux paramètres aussi bienquantitatifs que qualitatifs. Dans ce travail, la méthode de conception proposée permetune sélection simultanée des architectures et des matériaux. Celle-ci est axée autour del'association d'une base de données d’architectures élémentaires et d’une base de donnéesde matériaux. La recherche de solutions est basée sur une méthode hybride utilisant unalgorithme génétique et un algorithme de programmation sous contraintes. La méthodehybride permet la définition de solutions intégrant des paramètres géométriques optimisésen réponse aux astreintes du cahier des charges. Ce travail a été réalisé au sein du projetMUJU (Mutimaterial mUltiphysics JUnction) financé par l'Agence Nationale de laRecherche. Le travail développé a ainsi été appliqué à la conception de packaging del’électronique embarquée. Actuellement fabriqué en alliage métallique, ce packaging utilisédans l'aéronautique doit satisfaire à la fois des contraintes thermiques, mécaniques etélectriques. Les solutions obtenues ont permis un gain de masse de 20 à 40% tout enassurant des performances équivalentes. / The design process involving both the architectures and the materialsrepresents an hard task mainly because of the high number of possible configurations.This issue requires the development of new approaches and new tools. In this study, a newstrategy for the design of architectured materials is proposed. An architectured material,or multimaterial, can be defined by its architecture, its components and their volumefractions, and the nature of the interface between them. The design of a multimaterial isbased on the analysis of numerous quantitative and qualitative parameters. In this study,a multimaterial design method allowing a simultaneous selection of architectures andmaterials was developed. This work deals with the association of a database of elementaryarchitectures and a database of materials. The search of solutions is based on an hybridmethod using genetic algorithm and constraint programming algorithm. This hybridmethod allowed the definition of solutions, with optimal geometrical parameters in answerto the specifications requirements. This study was carried out within the MUJU project(Mutimaterial mUltiphysics JUnction) framework supported by the National ResearchAgency. The developed method was applied to the design of heat sink in embeddedelectronic packaging for aeronautic. Currently made of metallic alloy, the packaging mustsimultaneously satisfy thermal, mechanical and electrical constraint. The achievedsolutions allowed a weight saving lies in the range 20 to 40% while keeping the sameperformance.

Lors de la phase de rentrée atmosphérique d'une sonde spatiale, la paroi du corps est le siège de phénomènes physico-chimiques complexes. Nous nous intéressons dans cette thèse au cas où le matériau solide de l'objet de vol comporte plusieurs constituants s'ablatant de façon différentielle. En particulier, l'un de ces constituants subit un changement de phase donnant lieu à l'apparition d'une phase liquide. Nous sommes en présence de trois phases : solide, liquide et gaz. Les travaux effectués dans cette thèse correspondent au développement de méthodes numériques en 2D capables de modéliser les différentes interfaces en présence ainsi que l'évolution des fluides ou des matériaux séparés par celle-ci. L'enjeu principal de la thèse est de proposer des méthodes et des algorithmes de couplage pour l'écoulement diphasique, la thermique multimatériaux et les changements de phase (fusion et sublimation)

Le procédé d'élaboration de multimatériaux par métallurgie des poudres est employé pour combiner des propriétés complémentaires en minimisant le nombre d'étapes. Afin de comprendre les phénomènes mis en jeu et d'établir une méthodologie d'étude, un bimatériau modèle base Fe/base WC, comportant uniquement trois éléments, a été étudié. La méthodologie est basée sur une approche physicochimique, l'étude du frittage de chaque monomatériau puis du bimatériau. Ces résultats ont été appliqués au frittage du bimatériau acier X120Mn12/carbure, associant ténacité et dureté. La même méthodologie a été mise en œuvre pour réaliser le frittage d'un bimatériau acier 1.4313/Stellite 6, associant résistance mécanique et résistance à la corrosion. Ces études ont montré l'importance des interactions chimiques et mécaniques à l'interface des deux couches au cours du frittage de bimatériaux.

Une méthode est proposée pour la modélisation d’unassemblage multimatériaux innovant visant des applicationsdans l’allègement structurel des véhicules. Dans cetassemblage une partie composite thermoplastique, est fixée àune plaque acier texturée par la technologie CMT pins.L’interface est particulièrement complexe et non linéaire : unereprésentation fine du comportement local serait extrêmementpénalisante en temps de calcul. Dans cette optique il a étéchoisi d’orienter la méthodologie vers une modélisation la plussimple possible tout en conservant de bons résultats globaux.Pour ce faire, en s’inspirant de l’état de l’art existant sur lesmultimatériaux, une campagne expérimentale a été menée surdes éprouvettes longitudinales à double recouvrement afin decaractériser cette interface. Une fois les mécanismes locauxinvestigués, deux modèles sont proposés. Le premiernumérique basé sur la méthode des éléments finis etl’introduction d’éléments cohésifs nous permet de valider leshypothèses de modélisation tout en quantifiant la répartitiondes efforts entre les picots. Le deuxième se base sur le calcullocal d’un Volume Élémentaire Représentatif pour établiranalytiquement la loi de comportement de l’interface. Cette loiest ensuite introduite sous la forme d’un ressort non linéaire ausein d’un modèle numérique simplifié de l’éprouvette. Pourfinir ces approches sont appliquées au cas d’étude industriel etles résultats sont validés par une deuxième campagneexpérimentale. / A method is proposed to simulate an innovative multimaterialassembly which has applications in structural lightweight forvehicles. In this assembly, a thermoplastic composite part isfixed on a steel plate, textured by the CMT pins technology.This is an especially complex and nonlinear interface: a finerepresentation of local behaviour would be extremely costlyfor calculation. So, it has been chosen to investigate a model assimple as possible which still demonstrates accurate globalresults.An experimental campaign on double lap shear specimen,inspired by existing state of the art on multimaterial has beenset up to characterize this interface. Once local mechanismshave been understood, two models are proposed and compared.The first is numerical and based on finite elements method andcohesive elements. It allows us to validate the modelhypotheses while describing the effort repartition between thepins. The second one is based on a Representative VolumeElement. It establishes analytically the behaviour law of theinterface. This law is then inserted inside a simplifiednumerical model of the specimen by means of a nonlinearspring. To conclude, these approaches are applied to theindustrial case of study and the result have been validated by asecond experimental campaign.

L’élaboration de multimatériaux en couches par métallurgie des poudres permet de réduire les coûts de fabrication, et d’augmenter les performances d’une pièce. Néanmoins, l’assemblage de multicouches engendre bien souvent des fissures ou même des délaminations, qui nuisent aux bonnes propriétés de la pièce. Ces travaux de thèse ont donc pour objectif de mieux comprendre quels peuvent être les paramètres importants à prendre en considération et leurs influences pour l’élaboration de multimatériaux. Pour cela, le cofrittage de trois couples de bimatériaux en couches massives a été étudié. Pour apprécier la cause de l’endommagement dans les bicouches, un dispositif de suivi in situ sans contact a été développé afin d’observer les déformations, les fissures, et les délaminations. De plus, la simulation du cofrittage grâce à un modèle de loi de comportement de type Binghamien a été réalisée dans le but de connaître le champ de contraintes résiduelles : les fissures observées ont été corrélées à ce champ de contraintes. Pour un premier couple de matériaux sans aucune interaction (Al2O3/ZrO2), il apparait nécessaire d’avoir des retraits qui débutent à des températures similaires, des retraits finaux proches, et une densification incomplète pour éviter l’endommagement. L’étude concernant la présence d’une phase liquide à l’interface (Al2O3/WC-Co) a souligné que celle-ci accroit l’accroche à l’interface pendant le frittage, mais qu’elle la fragilise lors du refroidissement. En présence d’une réaction à l’interface (ZrO2/Ti) une forte accroche chimique permet même de contrecarrer les effets néfastes d’un fort différentiel de retrait final. / The multilayer materials processed by powder metallurgy allow reducing the manufacturing cost. However, the multilayers assembly often leads to cracks or even debonding, which decreases the piece properties. The main purpose of this work is to better understand which important parameters have to be taken into account and their influences on the multimaterials processing. In order to fulfil this objective, the cosintering of three different couples of bimaterials in thick layer has been studied. To identify the damaging reasons in the bilayers, an in situ monitoring device has been developed to observe deformations, cracks and debonding. Moreover, the cosintering simulation with a Binghamien law model was performed to evaluate the internal stresses field : the experimentally observed cracks were correlated with this internal stresses field. For a first couple of materials with no interaction (Al2O3/ZrO2), it appears the necessity to have shrinkages which begin at similar temperatures, similar final shrinkages and an incomplete densification to avoid damaging. The study concerning the presence of a liquid phase at the interface (Al2O3/WC-Co) underlined that this liquid phase increases the bonding during the sintering, but decreases it during the cooling. With a reaction at the interface (ZrO2/Ti), a strong chemical bonding allows to avoid the bad effects of an important differential final shrinkage.

L'assemblage par collage est un moyen de concevoir des structures optimales, car il autorise l'emploi de matériaux distincts pour chaque pièce à unir. Le collage peut aussi être combiné à une autre technique d'assemblage, afin d'en cumuler les avantages. Les enjeux de l'optimisation des couples de matériaux et des techniques d'assemblage sont, dans les cas naval et aéronautique traités, un gain en masse et un gain d'indice constructif. Les matériaux mis en oeuvre sont de natures diverses : bois, composite, alliage d'aluminium, colles polyuréthane et polysulfure. Le cas d'étude naval vise à classer des géométries de liaison cloison intérieure/coque de bateau en termes de raideur et de résistance. Le cas aéronautique s'attache à comprendre les mécanismes en jeu dans un assemblage hybride boulonné‐collé et à simuler sa déformation sous traction. La démarche adoptée consiste à passer successivement de l'échelle élémentaire à la maquette de structure industrielle par des boucles essais/calculs, en validant les modélisations par des essais sur des éprouvettes de complexité croissante. Pour la colle polyuréthane, des caractérisations élémentaires ont permis d'observer sa viscoélastoplasticité et, au moyen du dispositif de sollicitation multiaxiale Arcan‐Mines, l'influence de la pression hydrostatique sur l'entrée en plasticité. La loi de comportement développée pour représenter ces effets intègre un modèle de viscoélasticité original et un critère de Drucker‐Prager modifié. Ce dernier, assorti de règles de calcul, est proposé comme critère de comparaison de résistance entre géométries. Il a été déterminé dans le cas de l'assemblage hybride que la colle polysulfure employée a bien un rôle structural : elle augmente sensiblement la raideur de la fixation par rapport à une liaison simplement boulonnée. Une simulation par éléments finis permet de reproduire la phase de déformation élastique jusqu'au niveau d'effort de qualification en fatigue de la structure. L'ensemble de ces travaux a permis de doter les bureaux d'étude d'éléments de choix et de justification pour la conception de leurs assemblages.

Les méthodes de sélection de matériaux monolithiques peuvent conduire à des impasses lorsque les exigences fonctionnelles sont très élevées ou contradictoires. Le passage aux multimatériaux peut alors être envisagé. L’objectif de la thèse est de proposer une méthode de conception de multimatériaux à architecture fixée, avec en perspective une application à la conception de conduites offshore pour le génie pétrolier. Seuls les multimatériaux à architecture multicouche sont considérés et la méthode de conception est redéfinie comme une méthode de sélection des constituants du multimatériau et de dimensionnement. Une adaptation des étapes classiques de sélection des matériaux conduit à présenter la méthode en détail sur des exemples simples. Les techniques de programmation par satisfaction de contraintes s’avèrent nécessaires pour la résolution de cas réels de conception multimatériaux. L’application à la conception de conduites offshore permet de valider la méthode et de démontrer sa pertinence. / When the design requirements are either too stringent or are conflicting, no monolithic material solution exists. In such cases the selection of a multimaterial could be considered. The primary aim of this thesis is to provide a methodology for designing multi-materials with a prescribed arrangement of the constituent materials. The second objective is to apply this new methodology to the design of a submarine pipeline. From amongst the huge variety of multi-material arrangements available, this study focusses on multilayered stackings and therefore the design methodology becomes a method for selecting the materials of the stack and sizing the layers. This original approach is presented in detail using basic examples in order to match the steps of classical methods for selecting engineering materials. The constraints programming techniques were very useful for solving real multimaterial design problems. Applying this new method to the design of a submarine pipeline permits its validation and provides proof of its relevance.

Dans le contexte industriel actuel, la modélisation numérique apparaît comme un outil nécessaire, entraînant des gains de temps et d'argent importants. Le logiciel FORGE2 Multimatériaux a été développé dans ce cadre, afin de modéliser des matériaux élastoplastiques ou élasto-viscoplastiquse en grandes déformations. Nous présentons dans ce mémoire les développements qui ont été réalisés pour permettre de prendre en compte et de gérer plusieurs sous-domaines et plusieurs matériaux, en insistant sur les difficultés liées à la gestion des contours et du remaillage. Nous présentons également les outils numériques introduits pour modéliser la propagation quasi-statique de fissures dans le maillage. Pour cela, nous introduisons les paramètres caractéristiques classiques en mécanique de la rupture, et nous les étudions pour une fissure statique. La méthode G, permettant de calculer avec précision le taux de restitution d'énergie, est développée et comparée à d'autres méthodes. Nous abordons ensuite l'amorçage et la propagation quasi-statique de fissures en présentant et en comparant trois critères de propagation: le critère de la contrainte normale maximale, le critère de la densité d'énergie de déformation minimale et le critère du taux de restitution d'énergie maximal. Une attention particulière est portée aux problèmes de remaillage et de structure du maillage en pointe de fissure. La caractéristique multimatériaux du code permet également d'étudier la propagation de fissures dans des matériaux composites. Les exemples d'application proposés montrent la robustesse des développements effectués et offrent de nombreuses perspectives intéressantes. Enfin nous utilisons les différents outils présentés pour étudier les mécanismes de déformation et de rupture lors du compactage de tubes en zircaloy 4. Une étude expérimentale est menée en parallèle afin de valider les résultats numériques, et d'étudier l'influence de l'oxydation sur les propriétés mécaniques du zircaloy 4.