Some non-newtonian fluids exhibit nonmonotonous dependence of the shear stress on shear rate. This nonmonoticity leads to flow instabilities which result in formation of banded flow, namely in shear banding and vorticity banding. An important role is played here by so called stress diffusion which uniquely determines size of bands in the flow. If the classical kinetic approach is employed and the spatial inhomogeneity of the flow is taken into the account, then stress diffusion can be obtained in the fluid model, however this approach has difficulties with identifying heat transfer within the continuum. In this thesis, we present alternative approach how to introduce stress diffusion to fluid models. We employ thermodynamical framework proposed by Rajagopal and Srinivasa (2000), this approach guaranties thermodynamical consistency of resulting model and also the interplay between stress diffusion and heat transfer can be easily established. Furthermore, we extend this framework such that wider range of viscoelastic models can be obtained, in particular we derive Johnson-Segalman model. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Optical Coherence Tomography Velocimetry (OCTV) is a technique based on principals developed for medical imaging and is used to measure the velocity as a function of sample depth for a range of complex fluid systems, revealing insight into rheological properties that are otherwise ignored by bulk rheometry methods. The technique fulfils the requirements needed to study a wide range of complex systems, being capable of measuring absolute velocity and velocity fluctuations with high spatial and temporal resolution, as well as in opaque materials. Improvements to the instrumentation behind OCTV are described in detail, with improvements to signal to noise being achieved through better detection and the use of modulation techniques. The technique is also demonstrated in a range of complex fluids including dense suspensions of hard spheres, DNA solutions, polyacrylamide solutions, bacteria and shampoo amongst others. Non-linear flow behaviour is revealed that includes shear banding, wall slip and elastic turbulence. X-ray scattering techniques are also discussed, with results from recent experiments at the Diamond synchrotron being presented. The commercial potential of OCTV is discussed in depth, with analysis of the market of scientific instruments for measuring flow, competitor analysis and a review of relevant intellectual property. Methods to commercialise OCTV are discussed, with licensing to an existing competitor being identified as the means with the least risk and greatest chance of success.

Des mesures optiques en microcanaux permettent d'obtenir de nouvelles informations sur différents fluides complexes, en lien avec des procédés de récupération assistée du pétrole. Nos expériences reposent sur une méthode de microfabrication innovante en colle photoréticulable résistante en pression. Nous concevons un laboratoire sur puce pour l'étude de la dégradation des polymères sous écoulement. Intégrant une zone d'écoulement violent et un viscosimètre dans un même microsystème, nous caractérisons l'influence de la masse, de la concentration, de la chimie et de la géométrie. Par ailleurs, un système de vélocimétrie en microcanal nous permet de caractériser la rhéologie d'une phase hors équilibre de solutions semi-diluées de micelles géantes sur plus d'une décade de taux de cisaillements, mesurant indépendamment le glissement. Par des cartographies tridimensionnelles de cet écoulement, nous étudions ensuite l'apparition de structurations spécifiques à ces fluides à bandes de cisaillement: un effet de confinement amplifié et une instabilité d'interface, confrontés à un modèle théorique avec un accord quantitatif.

À la différence des liquides simples, les solides amorphes, une vaste catégorie de matériaux allant des verres métalliques aux émulsions concentrées, ne se mettent à s'écouler qu'au-delà d'une contrainte finie. Notre thèse a pour objet la modélisation de cet écoulement, dans un cadre général et avec un accent mis sur les hétérogénéités. En premier lieu, notre travail a porté sur l'inclusion d'inhomogénéités dans le cadre de la théorie de couplage de modes appliquée à la rhéologie et nous avons notamment obtenu une équation générale d'évolution des inhomogénéités de densité. À basse température, l'écoulement est en effet fortement hétérogène : des phases de déformation élastique sont entrecoupées de réarrangements de particules, brusques et localisés, qui interagissent par le biais des déformations élastiques qu'ils génèrent. En second lieu, nous avons donc considéré un modèle calqué sur ce scénario et affiné ses éléments constitutifs pour rendre compte de la compétition entre cisaillement appliqué et réarrangements locaux, à l'origine de la courbe d'écoulement des matériaux athermiques. Cette dernière a été reproduite de manière satisfaisante. Pour ce qui est des corrélations spatiales dans l'écoulement, nous avons montré qu'il n'existe pas de loi d'échelle universelle dans les modèles élasto-plastiques, malgré la présence d'une classe de longueurs de corrélation décroissant comme dot{gamma}^{ icefrac{-1}{d}} en d dimensions, dans le régime dominé par le cisaillement. Par ailleurs, dans diverses variantes du modèle, le cisaillement se trouve localisé dans une région du matériau. Ce phénomène apparaît dès lors que les blocs élasto-plastiques sont durablement fragilisés à la suite d'un événement plastique. Enfin, les prédictions du modèle ont été directement mises en regard avec des expériences sur l'écoulement en microcanal d'émulsions concentrées et des simulations de dynamique moléculaire à température nulle. Les écarts observés nous ont poussé à développer et implémenter un code plus flexible, qui s'appuie sur une routine simplifiée d'Éléments Finis et rend mieux compte du désordre structurel et des effets inertiels. / Contrary to the case of simple fluids, a finite stress is required to initiate the flow of amorphous solids, a broad class of materials ranging from bulk metallic glasses to dense emulsions. The objective of this thesis is to model the flow of these materials in a general framework, with an emphasis on heterogeneities. In a first approach, using the liquid regime as a starting point, I have investigated to what extent inhomogeneities can be accommodated in the framework of the mode-coupling theory of rheology. A generic equation for the evolution of density inhomogeneities has been derived. At low temperatures, the flow is indeed quite heterogeneous: it consists of periods of elastic deformation interspersed with swift localised rearrangements of particles, that induce long-range elastic deformations and can thereby spark off new rearrangements. In a second approach, a model rooted in this scenario has been refined so as to reflect the interplay between the external drive and the localised rearrangements, which is at the origin of the flow curve of athermal solids. The latter has been reproduced satisfactorily. Turning to spatial correlations in the flow, we have shown that there exists no universal scaling for these correlations in elastoplastic models, although a broad class of correlation lengths scale with dot{gamma}^{ icefrac{-1}{d}} in the shear-dominated regime in d dimensions. Besides, shear localisation has been observed in diverse variants of the model, whenever blocks are durably weakened following a plastic event. Finally, we have directly compared model predictions to experimental results on the flow of dense emulsions through microchannels and to athermal molecular dynamics simulations. Spurred on by the observation of some discrepancies, we have developed and implemented a more flexible code, based on a simplified Finite Element routine, which notably provides a better account of structural disorder and inertial effects.

Ce travail de thèse cherche à mieux caractériser le comportement des matériaux hétérogènes sous cisaillement avec une approche multi-échelles (macro-méso-microscopique).Cela est rendu possible en développant un montage innovant qui couple un rhéomètre à un système d’imagerie de speckle résolue spatialement et temporellement (RheoSpeckle). Nous montrons la validation de notre expérience en l’appliquant sur deux matériaux parfaits : un solide et un liquide. Sur le solide, on mesure le champ de déplacement sur les images de speckle avec une résolution meilleure que 1 µm. Puis on prouve l’élasticité du matériau à l’échelle microscopique. Sur le liquide, la taille des nanoparticules est déterminée avec un excellent accord avec la spécification du fabriquant. Le champ de vitesse dans l’entrefer du Couette est calculé avec une bonne précision sur un temps inférieur à 1 s et avec une résolution spatiale de 100 µm sur 5mm. La dynamique microscopique d’une solution brownienne est étudiée et l’influence du cisaillement sur la décorrélation est déterminée. Nous montrons les capacités de notre expérience à étudier des matériaux hétérogènes en l’appliquant sur une solution concentrée de micelles géantes. La rhéologie linéaire est étudiée en rhéometrie classique mais aussi en utilisant l’imagerie du speckle. La rhéologie non linéaire de ce matériau est déterminé en rhéometrie (macro) mais aussi en calculant le champ de vitesse et l’intensité des images de speckle (méso) ou on caractérise les bandes de cisaillement qui se forment à partir d’un cisaillement critique. En fin la relaxation spatio-temporelle des bandes de cisaillement (micro) est caractérisée. On observe pour la première fois l’existence de deux temps de relaxation après l’arrêt du cisaillement et que la relaxation des bandes est relativement lente. / This work tries to better characterize the behavior of homogeneous and heterogeneous materials under shear with a multi-scale approach (macro-meso-micro-scopic). To do that, we have developed an innovative setup by coupling a rheometer to a speckle imaging geometry witch is spatially and temporally resolved (RheoSpeckle). We validate our experience using two perfect materials: a solid and a pure viscous fluid. On a solid sample, we calculate the displacement field on the speckle images with a resolution better than 1 µm. we demonstrate than, the microscopic elasticity of this material. On a pure viscous fluid, we measured the nanoparticle’s size with excellent accuracy. When a constant shear rate is applied, the velocity profile is measured with a time less than 1 s with a spatial resolution of 100 µm over 5 mm. The microscopic dynamic of a Brownian solution under shear is probed and the shear induced on the decorrelation of the intensity correlation function is studied. We show the capabilities of our experience using a concentrated solution of wormlike micelles. The linear rheology is studied using rheometric measurements and our speckle imaging system. Nonlinear rheology is studied using rheometric measurements (macro), but also by calculating the velocity filed and the intensity of speckle images (meso). With mesocopics measurements, the formation of shear banding is proved and characterized. Finally, the spatio-temporal relaxation (micro) of shear bands of this material is studied. We show for the first time the existence of two relaxations times after shear and that the relaxation of bands is relatively slow.

Les matériaux à haute résistance, notamment les aciers et les alliages à base d'aluminium et de titane, sont largement utilisés dans l'aéronautique comme matériaux structuraux et de protection. Dans le cas de surcharges accidentelles impliquant des vitesses de chargement élevées et des conditions quasi adiabatiques, ces matériaux sont souvent sensibles au cisaillement adiabatique par bande. Les bandes de cisaillement adiabatique (BCA) sont des zones étroites de cisaillement intense qui résultent d'une instabilité thermomécanique et qui conduisent à une rupture prématurée du matériau. À un stade avancé du processus de localisation, des micro-cavités (MCs) ont été observées dans les BCAs. Ces MCs peuvent coalescer pour former des fissures et mener à la rupture de la structure. Ainsi, les mécanismes couplés d'ASB+MC agissent comme un précurseur à la rupture catastrophique et il est par conséquent important de modéliser numériquement leurs effets dans des structures soumises à des sollicitations à haute vitesse. Les BCAs apparaissent aussi dans certaines applications industrielles, telles que l'usinage à grande vitesse, où elles favorisent le festonnement du copeau. Un postulat de grande échelle est appliqué ici où la longueur caractéristique du volume élémentaire représentatif (VER) est plus grande que la largeur de bande, et non l'inverse comme fait communément. L'objectif du travail présenté est d'enrichir un modèle décrivant les effets des BCAs en prenant en compte les conséquences de l'endommagement par MC dans le processus progressif de la rupture. Les effets des BCAs et des MCs sur la réponse du VER sont doubles : cinématique, à savoir une déviation progressif de l'écoulement plastique dans le plan de la bande décrite via des gradients de vitesse induits par les BCAs et par les MCs; et matériel, à savoir une dégradation anisotrope des modules élastiques et plastiques décrite via des variables tensorielles d'ordre deux de détérioration induite par les BCAs et par les MCs. L'amorçage des BCAs est déterminé à partir d'une analyse linéaire de stabilité et celui des MCs par une valeur critique du taux de restitution d'énergie local. L'intérêt de ce modèle avancé est démontré par comparaison avec un modèle orienté application du type (1-D) où D est une variable de détérioration isotrope. Le modèle enrichi ASB+MC est implémenté comme matériau utilisateur dans le code de calculs commercial par éléments finis LS-DYNA. [...] / High strength metallic materials, notably steel and light-weight titanium and aluminium alloys, are widely used in aeronautical and other structures. In case of accidental overload involving high strain rates and quasi adiabatic conditions, these materials are often susceptible to adiabatic shear banding. The adiabatic shear bands (ASB) are intense shear localisation zones resulting from thermomechanical instability and provoking premature material failure. At an advanced stage of the localisation process, the ASBs have been shown to contain micro-voids (MV) which may coalesce to form cracks and ultimately lead to the fracture of the structure. Thus the coupled mechanisms of ASB+MV act as a precursor to catastrophic failure and it is consequently crucial to numerically model their formation and effects when dealing with structures submitted to high loading rates. The ASBs are also observed in industrial applications such as high speed machining where their formation favours the chip serration. A large scale postulate is used herein to obtain a global insight into the structural material response. The shear band cluster is indeed contained/ embedded within the representative volume element (RVE), and not the opposite as usually considered. The objective here is to enrich a model describing the ASB effects by taking into account the consequences of the micro-voiding within the progressive failure process. The effects of ASB and MV initiation and evolution on the RVE (material point) response are double: kinematic, namely a progressive deviation of the plastic flow in the band plane described via specific ASB and MV induced velocity gradients; and material, namely a progressive anisotropic degradation of the elastic and plastic moduli described via ASB and MV induced second order tensor deterioration variables. The ASB onset criterion is derived from the linear perturbation analysis and the MV is activated using a critical value for the local energy release rate. The interest of this advanced constitutive model is emphasised by comparison with an application oriented (1-D) model where D is a scalar damage variable. [...]

Amorphous alloys possess attractive combinations of mechanical properties (high elastic limit, ~2%, high fracture toughness, 20-50 MPa.m1/2, etc.) and exhibit mechanical behavior that is different, in many ways, from that of the crystalline metals and alloys. However, fundamental understanding of the deformation and fracture mechanisms in amorphous alloys, which would allow for design of better metallic glasses, has not been established on a firm footing yet. The objective of this work is to understand the deformation and fracture mechanisms of amorphous materials at various length scales and make connections with the macroscopic properties of glasses. Various experimental techniques were employed to study the macroscopic behavior and atomistic simulations were conducted to understand the mechanisms at the nano level. Towards achieving these objectives, we first study the toughness of a Zr-based bulk metallic glass (BMG), Vitreloy-1, as a function of the free volume, which was varied by recourse to structural relaxation of the BMG through sub-Tg annealing treatment. Both isothermal annealing at 500 K (0.8Tg) for up to 24 h and isochronal annealing for 24 h in the temperature range of 130 K (0.65Tg) to 530 K (0.85Tg) were conducted and the impact toughness, Γ, values were measured. Results show severe embrittlement, with losses of up to 90% in Γ, with annealing. The variation in Γ with annealing time, ta, was found to be similar to that observed in the enthalpy change at the glass transition, ΔH, with ta, indicating that the reduction of free volume due to annealing is the primary mechanism responsible for the loss in Γ with annealing. Having established the connection between sub-atomic length scales (free volume) and macroscopic response (toughness), we investigated further the affects of relaxation on intermediate length scale behavior, namely deformation induced by shear bands, by employing instrumented indentation techniques. While the Vickers nano-indentation response of the as-cast and annealed glasses do not show any significant difference, spherical indentation response shows reduced shear band activity in the annealed BMG. Further, relatively high indentation strain was observed to be necessary for shear band initiation in the annealed glass, implying an increased resistance for the nucleation of shear bands when the BMG is annealed. In the absence of microstructural features that allow for establishment of correlation between properties and the structure, we resort to atomistic modeling to gain further understanding of the deformation mechanisms in amorphous alloys. In particular, we focus on the micromechanisms of strain accommodation including crystallization and void formation during inelastic deformation of glasses. Molecular dynamics simulations on a single component system with Lennard-Jones-like atoms suggest that a softer short range interaction between atoms favors crystallization. Compressive hydrostatic strain in the presence of a shear strain promotes crystallization whereas a tensile hydrostatic strain was found to induce voids. The deformation subsequent to the onset of crystallization includes partial re-amorphization and recrystallization, suggesting important mechanisms of plastic deformation in glasses. Next, a study of deformation induced crystallization is conducted on two component amorphous alloys through atomistic simulations. The resistance of a binary glass to deformation-induced-crystallization (deformation stability) is found to increase with increasing atomic size ratio. A new parameter called “atomic stiffness” (defined by the curvature of the inter-atomic potential at the equilibrium separation distance) is introduced and examined for its role on deformation stability. The deformation stability of binary glasses is found to increase with increasing atomic stiffness. For a given composition, the internal energies of binary crystals and glasses are compared and it is found that the energy of glass remains approximately constant for a wide range of atomic size ratios unlike crystals in which the energy increases with increasing atomic size ratio. This study uncovers the similarities between deformation and thermal stabilities of glasses and suggests new parameters for predicting highly stable glass compositions.