L'interprétation mécanique des essais d'indentation et de rayure est très complexe. La compréhension est encore plus délicate lorsque les essais sont réalisés d'une part sur des polymères, matériaux dont le comportement est complexe, et d'autre part, à l'échelle du micromètre pour caractériser des couches minces (vernis). La simulation numérique des essais permet de mieux les analyser et d'avoir accès à des informations impossibles par d'autres moyens d'essais (traction, compression,....). Notre étude porte sur des polymères thermoplastiques et thermodurcissables renforcés (vernis) ou non par des nanoparticules. La composante élastique est modifiée par le modèle d'Young, la viscosité par une loi de G'Sell Jonas, avec un écrouissage exponentiel. Les paramètres de cette loi sont déterminés par une méthode d'analyse inverse basée sur les courbes force pénétration obtenues par les essais de nano-indentation avec deux indenteurs et des simulations avec Forge 2®. Les thermodurcissables se différencient des thermoplastiques par des coefficients d'écrouissage élevés. Les simulations avec Forge3® de la rayure sur ces polymères avec deux indenteurs montrent des comportements semblables aux comportements expérimentaux : labourage avec une composante de déformation élastique importante pour les thermodurcissables, conduisant à la formation de dépression au contact de l'indenteur. Nous avons mis en évidence qu'un matériau avec un fort écrouissage a une dureté très élevée et des endommagements très faibles, ce qui est vérifié expérimentalement et explique les performances de résistance à la rayure des vernis.

Ce mémoire contient l'essentiel de la recherche de Pierre Mercure-Boissonnault sur l'ordre de rayure dans les cuprates supraconducteurs. Cette recherche consistait à vérifier à l'aide du modèle de Hubbard et de méthodes numériques (VCA et CDMFT) si l'ordre de rayure est présent dans les plans cuivre-oxygène de ces matériaux et comment l'ordre de rayure interagit avec la supraconductivité. De plus, plusieurs amas différents sont utilisés dans le but de permettre l'observation de différentes formes d''ordre de rayure (centré sur les sites, centré sur les liens et diagonal). Finalement, les paramètres du modèle de Hubbard sont modifiés afin d'observer l'effet sur l'ordre de rayure par rapport à l'antiferromagnétisme.

Ce travail s'articule autour de trois essais mécaniques mis en place sur un appareil de nanoindentation pour caractériser des couches minces de cuivre, de SiN et de SiCN pour des applications microélectroniques (interconnexion), et des couches minces polymères pour des applications biomédicales (revêtement de stent actif). L'essai de nanoindentation normale a été utilisé pour la mesure des propriétés mécaniques des couches de cuivre (500 nm d'épaisseur) déposées sur un substrat Ta/TaN/SiO2/Si. Les résultats expérimentaux, appuyés par une simulation numérique 2D, ont démontré l'inadéquation du modèle d'Oliver et Pharr pour ces couches minces métalliques du fait de la croissance d'un bourrelet autour de la zone de contact. Un effet d'écrouissage des couches de cuivre, augmentant avec leur température de recuit, a également été mis en évidence par une croissance drastique des valeurs de dureté au cours de la pénétration de l'indenteur. L'essai de nanoindentation sur coupe ou « Cross Sectional Nanoindentation » a été employé pour mesurer l'adhérence de ces mêmes couches de cuivre. Les travaux expérimentaux ont permis d'améliorer le protocole expérimental et l'interprétation mécanique de cet essai récent. Les résultats ont mis en évidence la forte influence de la température de recuit et de la présence, ou non, de gravures sur l'adhérence des couches. Une approche numérique 3D a été développée pour la quantification énergétique de l'essai.L'essai de micro-rayure a permis, dans un premier temps, d'évaluer l'adhérence des couches dures SiN et SiCN (40 à 120 nm) déposées sur un substrat Cu/Ta/TaN/SiO2/Si. L'accent a été mis sur l'influence de l'épaisseur de la couche et de l'usure de la pointe sur la force critique d'endommagement. Une modélisation par éléments finis a montré que le délaminage de la couche mince est provoqué par d'importantes contraintes à l'interface SiCN/Cu et dans le revêtement. L'essai de micro-rayure a ensuite été appliqué à des couches polymères (500 à 1000 nm) déposées sur acier inoxydable. Ces échantillons présentent un comportement radicalement différent de celui des couches SiN ou SiCN. Les résultats montrent l'avantage procuré par une couche électro-greffée utilisée en tant que primaire d'adhésion.

Les motoristes aéronautiques doivent désormais montrer que la présence de petites anomalies de surface, pouvant être introduites lors d’opérations de maintenance, ne mènent pas à la rupture des pièces, et ce sur toute la durée de vie du moteur. Cette étude concerne la caractérisation de la nocivité d’anomalies de surface de type rayure et choc sur la tenue en fatigue du superalliage à base nickel René 65.Afin de découpler les effets de géométrie des effets de contraintes résiduelles, les rayures et les chocs possèdent un profil géométrique identique en V. Une technique de suivi de potentiel 3 points a été mise en place dans le but d’améliorer la détection de l’amorçage et d’avoir une information sur la morphologie du front de fissure. Les résultats expérimentaux montrent un amorçage rapide et un fort ralentissement de la vitesse de propagation dans les premiers stades. Nous avons également observé, par le biais de marquages thermiques, une évolution particulière de la forme du front de fissure s’amorçant au fond des rayures.L’utilisation de traitement thermique de relaxation a alors montré que c’est le champ mécanique hétérogène créé lors de la fabrication de ces anomalies qui contrôle la durée de vie et que c’est le paramètre physique d’ordre un à modéliser.Une stratégie de modélisation de la propagation de fissures à partir d’anomalies de type choc a été proposée. Celle-ci est basée sur la connaissance du champ de contraintes résiduelles par des simulations numériques, et sur l’application de ce champ dans un modèle numérique de propagation. Les résultats ont permis de confirmer que les contraintes résiduelles étaient bien la source du ralentissement de la propagation et également responsables de l’évolution de la forme du front de fissure. Ils ont également permis d’identifier les paramètres qui doivent être mesurés lors des contrôles non destructifs. / Anomalies, introduced during maintenance operations, are not critical for in-service life of a component. This study was undertaken to characterise the harmfulness of scratch and dent anomalies on the fatigue behaviour of the nickel based superalloy René 65.In order to separate the effects of the geometry and the residual stresses, scratches and dents have the same V-type profile. A 3 points DCPD method has been used to improve the detection of the initiation and also to have information about the crack front morphology. Experimental results showed that the initiation fatigue life is short and a slowdown of the fatigue crack growth in the first stages. We also observed, thanks to heat tints marking, aparticular crack front morphology for cracks initiating from scratches. Heat treatment has been used and showed that the heterogeneous mechanical field induced by the fabrication of the anomalies controls the fatigue life and that it constitutes one of the parameters to be taken into account in a future modelling. A modelling strategy of the crack propagation from dent anomalies has been developed. This model is based on the knowledge of the residual stress field by finite elements simulations, and the application of the calculated stress field in a numerical crackgrowth model. The results confirmed that the residual stresses were the physical source of the fatigue crack growth slow-down and also responsible for the evolution of the crack front morphology. They also allowed us to identify the parameters which have to be measured during non-destructive testing.

Dans cette thèse, les mécanismes de rayures en contact glissant sur des empilements de couches minces de faible adhésion ont été étudiés grâce à un tribomètre bille/plan à vision in-situ. Dans le cadre de ce travail, des expériences ont été menées sur un empilement modèle : verre/ZnO/Ag/ZnO/Si3N4 et l'impact de plusieurs paramètres a été étudié : force, taille de la bille, épaisseur de la surcouche, adhésion et coefficient de frottement.Nous avons montré que la rayure se déroule en trois phases successives : initiation, développement et régime stationnaire. L'initiation débute par une fissuration transverse de l’empilement suivi par un délaminage due à la bifurcation de la fissure à l’interface au-dessus de l’argent. Seule la taille caractéristique de ces phénomènes dépend de paramètres comme l'épaisseur des couches ou l'adhésion. Après l'initiation, un phénomène de plissage en milieu confiné se produit et permet de débuter la construction d'un tas de débris à l’avant du frotteur par accumulation. Finalement, en régime stationnaire, on constate que la rayure est uniquement pilotée par l’interaction entre le tas de débris et la couche. On a montré que la complexité de cette interaction rend toute mesure d’adhésion à partir des caractéristiques post-mortem de la rayure quasi-impossible.Finalement, il a été montré qu'il est possible d'améliorer la résistance à la rayure d’un empilement en texturant à l'échelle nanométrique sa couche d'argent. L’origine de cette amélioration vient d’une augmentation de l'adhésion par un effet de piégeage qui a été étudié à l'aide d'expériences de clivage. / In this PhD thesis, the scratch mechanisms during sliding contact on thin layers with low adhesion have been investigated with a ball on plane tribometer that allows in-situ microscopic observations. In this work, experiments were carried out on glass/ZnO/Ag/ZnO/Si3N4 model stacks and the impact of several parameters was studied: force, size of the ball, thickness of the overcoat, adhesion and friction coefficient.We have shown that the scratch process has three successive phases: initiation, development and steady state. Initiation begins with transverse cracks in the stack followed by delamination due to crack bifurcation at the interface above the silver layer. Only the characteristic size of these phenomena depends on parameters such as the thickness of the layer or its adhesion. After initiation, a phenomenon of pleating occurs even if confined under the contact and leads to the building of a pile of debris at the front of the contact zone by accumulation. Finally, in steady state, the scratch is only driven by the interaction between the pile of debris and the layers. It has been shown that the complexity of this interaction makes quasi-impossible any measure of adhesion based on the post mortem characteristics of the scratch.Finally, it has been shown that it is possible to improve the scratch resistance of a stack by patterning its silver layer at nanoscale. The origin of this improvement derives from an increase of adhesion due to pinning effect which has been demonstrated by using cleavage experiments.

Notre connaissance des effets d'une rayure sur les surfaces polymères reste à approfondir. L'expérimentation donne des observations précieuses des phénomènes qui apparaissent durant la rayure, cependant, l'accès aux champs de contraintes et de déformations dans le matériau n'est pas possible, ce qui est pourtant un élément clé pour la prédiction de l'amorce des fissures.Nous utilisons un essai de rayure sur des matériaux transparents, qui permet la visualisation in situ des endommagements, des dimensions de la zone de contact et du frottement. Les endommagements, en termes de craquelures, fissurations et bandes de cisaillement sont identifiés sur trois polymères massifs (PMMA, CR39 & PC). En parallèle, nous utilisons la modélisation 3D par éléments finis pour étudier la réponse mécanique pendant la rayure de ces trois matériaux polymères, afin d’identifier des critères d'amorçage de fissures. Enfin, des systèmes revêtus sont étudiés et le délaminage et la fissuration du film sont discutés. Ces considérations font entrevoir les perspectives possibles en termes de pistes d'amélioration pour la protection des substrats par dépôt de films minces. / Our knowledge of scratch effects on polymeric surfaces is still limited. The experimental approach gives precious observations of phenomena which occur during scratching, however, it does not allow to get insight the stress distribution within the material, a key feature for crack initiation prediction.A scratch test is used on transparent materials, that allows to visualize in situ damages appearance, the dimension of the contact zone and friction. The damages, in terms of crazing, cracking and shear bands are identified on three bulk polymers (PMMA, CR39 & PC).In parallel, we use 3D finite element modelling to study the mechanical response during a scratch test on these three polymeric materials, in order to identify crack initiation criteria.Finally, coated systems are studied and delamination/cracking of thin films are discussed. These considerations point to possible prospects in terms of improvement paths for the protection of substrates by thin films coating.

Le déplacement d'une pointe rigide sur la surface d'un polymère peut générer un glissement élastique ou une rayure plastique selon les conditions d'essais. La rayure de surfaces de polymères est accompagnée d'un relâchement élastique qui recouvre une partie du contact dorsal. Ce retour, dû à l'élasticité de ces matériaux, dépend du taux de plasticité dans le contact, et devient quasi symétrique lorsque le contact est glissant. Un dispositif d'essai de glissement-rayure développé au laboratoire permet de mesurer le frottement apparent lors du déplacement de la pointe, tout en ayant l'échantillon placé dans une enceinte thermique. Un dispositif de vision in-situ permet d'analyser l'aire réelle de contact entre la pointe rigide et la surface de l'échantillon. Le frottement apparent comporte une part de frottement vrai et une part d'obstacle due à l'écoulement viscoélastique et/ou viscoplastique de la matière. L'évaluation du frottement vrai local se fait à partir du frottement apparent et de la géométrie de contact accessible grâce à la vision in-situ, par un modèle de lignes d'écoulement autour de la pointe rigide qui permet de s'affranchir de la part déformation du frottement apparent. L'évolution du frottement vrai en fonction du taux de plasticité (nature de la réponse du contact) a montré que le passage entre un contact élastique et élastoplastique est accompagné d'un saut de frottement que l'on attribue à l'hystérésis d'adhésion.

L'objectif principal a été d'élaborer de nouveaux revêtements hybrides O/I de morphologie contrôlée afin de répondre des exigences de haute stabilité thermique (300°C) et résistance à la rayure et ayant des propriétés mécaniques spécifiques. Pour répondre à ces attentes, une phase inorganique est générée in-situ par des réactions d'hydrolyse/condensation d'un précurseur inorganique silicié (TEOS) au sein de matrices organiques de microstructures variées : polyesters hyperramifiés (Boltorn H20 and H40), oligoesters ramifiés (Synthoester et dérivés tanniques). Les nombreuses fonctions hydroxyles de la composante organique et leur forme spécifique permettent, dans les conditions de synthèse choisies, de contrôler les interactions entre les phases organiques et inorganiques et retarder les mécanismes de séparation de phases induite lors de la condensation du TEOS. Les matériaux hybrides ont été analysés par TEM, SAXS, ATG et DMA, microscratch testeur. L'influence de la masse molaire, de la teneur en composés inorganiques, de la teneur en fonctions hydroxyle de la composante organique sur la morphologie finale et les propriétés thermiques et mécaniques de surface.

Lors de diverses opérations de maintenance, des dégradations au niveau des rotors et des organes de supportage du groupe turbo-alternateur ont pu être constatées. Celles-ci se traduisent souvent par la présence de rayures au niveau des paliers hydrodynamiques, synonymes de fortes discontinuités dans le film d'huile. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse. L'objectif est d'avoir une meilleure compréhension et prédiction de leur impact sur le fonctionnement du palier. Pour cela, les paliers à géométrie fixe sont étudiés théoriquement et expérimentalement. L'étude théorique présente un modèle de résolution en régime thermoélastohydrodynamique (TEHD) permettant de prendre en compte les déformations introduites par les champs de pression et de température. Le développement d'un code capable de faire des calculs en régime hydrodynamique (HD) pour des paliers à géométrie fixe a été réalisé. L'étude expérimentale permet d'étudier le comportement d'un palier à deux lobes symétriques pour diverses positions et profondeurs de rayure placée sur l'arbre. Pour tous les cas, différentes configurations de charge et de vitesses sont testées, 25 au total. Les résultats obtenus pour les cas rayés permettent de mettre en avant l'importance de la profondeur de la rayure sur le comportement du palier. Pour les cas de fonctionnement réalisés, il apparaît que les champs de pression sont plus fortement impactés par la présence d'une rayure que les champs de température. Ces résultats sont comparés à ceux obtenus par le calcul avec l'utilisation d'un code interne à EDF qui permet la résolution de problèmes en régime TEHD. / During various maintenance operations in power plants, some new issues have come to light. One of these issues is the degradation of the supporting and guiding components for the rotating shafts. The degradation has resulted in scratches on bearings which leads to discontinuities of the oil film. The operator of the plant should provide a fast diagnosis of the influence of these scratches. The aim of the work is to examine these issues, to acquire a better understanding of physical phenomenon and to improve numerical predictions. Theoretical and experimental studies have been done for plain journal bearings. The numerical model is based on a thermoelastohydrodynamic (TEHD) resolution that allows to take into account solid deformations induced by the pressure and temperature fields. A computer code has been developed to solve the hydrodynamic (HD) problem. An experimental study has been performed on a two lobe journal bearing with a scratch on the rotating shaft at two scratch locations and for several scratch depth. For all of these configurations, local pressures and temperatures have been measured for different rotational speeds and applied loads. The scratch depth is one parameter that affects the most the journal bearing behavior. It influences more significantly the pressure field, with a drop of pressure near the scratch, than the temperature field. Those results have been compared to the numerical results obtained with an internal EDF software that can provide TEHD solutions.

La formation de rayures sur les surfaces polymères est une problématique affectant de nombreuses industries dans les secteurs de l'emballage, du transport, de l'optique ou de l'électroménager. Peu d'études académiques ont pour objet la compréhension du comportement à la rayure des polymères semi-cristallins. Le problème est complexe car ce sont des matériaux hétérogènes par nature. De plus, leur mise en œuvre par injection, technique fortement répandue, induit une hétérogénéité de structure supplémentaire dite "cœur-peau". Ce travail apporte de nouvelles connaissances sur le rayage du polypropylène injecté au moyen d'une étude multi-échelle des relations entre microstructure, propriétés mécaniques et comportement à la rayure.<br />L'analyse fine des propriétés de surface du polypropylène injecté, puis du matériau ayant subi des variations de conditions de mise en oeuvre et de formulation, a permis de définir des paramètres pertinents pour caractériser la résistance à la rayure. Ainsi, le caractère ductile ou fragile du matériau a été relié à une dimension critique. A partir de l'observation que le polypropylène se déforme de manière ductile dans les conditions d'essais retenues, l'amélioration de la résistance à la rayure de ce polymère nécessite d'augmenter la dureté du matériau. De façon plus explicite, le critère établi en termes de rapport entre élasticité et plasticité (ou E/H) a permis d'optimiser cette propriété d'usage et de justifier l'ajout d'un agent nucléant de phase bêta ou l'introduction de charges de type noir de carbone.