Cette thèse est centrée sur le développement de modèles numériques pour simuler le comportement physique des plasmas présents dans un réacteur d'implantation ionique à immersion plasma. Ces modèles ont pour but d'estimer l'impact des réglages opérationnels du réacteur sur les paramètres plasma pertinents pour l'implantation, comme le flux ionique sur le substrat et la distribution en énergie des ions. La géométrie complexe du réacteur rend difficile sa modélisation d'un seul tenant, du fait des importants gradients temporels et spatiaux attendus pour les densités ioniques et la température électronique. Une stratégie de simulation en deux étapes a donc été adoptée : - Un modèle quasi-homogène, couplé à un module de chimie en volume élaboré, permet de représenter des deux portions de la source plasma et d'obtenir l'évolution de la composition du plasma en fonction de la puissance radiofréquence injectée. - Un modèle unidimensionnel de type PIC-MC permet de décrire la dynamique de la gaine ionique qui se forme près du substrat du fait du potentiel imposé, ainsi que de déterminer la distribution de l'énergie d'impact des ions et les flux d'implantation correspondants. Au final, ces travaux de recherche ont permis d'aboutir à une meilleure compréhension de l'impact des paramètres opérationnels du réacteur sur le flux ionique et la distribution en énergie des ions arrivant sur le substrat. La connaissance des couplages physiques entre la source plasma et la chambre d'implantation autorise l'optimisation du processus de dopage, puisque les paramètres opérationnels peuvent être réglés de manière à minimiser la profondeur de dopage après implantation. / Numerical models have been developped to simulate the plasma present inside a plasma immersion ion implantation reactor. Their goal is to estimate the impact of the reactor’s settings on the plasma parameters relevant for ion implan-tation. The complex geometry of the reactor renders its modelling difficult, because of the stiff spatial and temporal gradients expected, so a two-step simulation stra-tegy was adopted : – A global model of the plasma source, coupled to a detailed volume chemistry module, allows to determine the time evolution of the plasma composition according to the radio-frequency power injected in the source.– A 1D PIC-MC model of the sheath facing the substrate describes the dyna-mics of the expanding sheath and allows to determine the ion impact energy distribution function and corresponding implantation profiles. Determination of the couplings between the plasma source and the implantation chamber makes possible to optimize the doping process, since the reactor’s opera-tional settings can then be adjusted to minimize the doping depth after implanta-tion.

Dans cette thèse nous avons étudié l'influence de surfaces diélectriques sur la dynamique de propagation de décharges à pression atmosphérique. Tout d'abord, pour les simulations 2D réalisées dans ce travail, nous avons optimisé les performances du code de décharge en utilisant des schémas numériques performants et des techniques de parallélisation. Nous avons ensuite étudié la dynamique de propagation d'une décharge dans l'air à pression atmosphérique dans une géométrie pointe-plan avec un plan diélectrique sur la cathode. Puis, nous avons étudié l'influence d'un obstacle plan diélectrique sur la dynamique de propagation d'une décharge. Nous avons montré que selon les caractéristiques du diélectrique, l'amplitude et la polarité de la tension appliquée, une seconde décharge peut s'initier ou pas dans l'air derrière le diélectrique. La comparaison des résultats avec les expériences a montré que dans une géométrie pointe-plan avec une pointe fine et une tension très élevée, une seule décharge de forme conique est observée. Un bon accord est obtenu sur le diamètre de la décharge et sa vitesse de propagation. Avec un obstacle plan diélectrique entre les électrodes, la dynamique de ré-allumage est plus rapide dans les simulations. Pour améliorer la comparaison avec les expériences, nous avons étudié l'influence de plusieurs processus physico-chimiques. Pour finir, nous avons étudié la dynamique de décharges à pression atmosphérique dans des tubes diélectriques. Pour un mélange He-N2, nous avons montré l'importance des réactions à trois corps. Enfin, nous avons montré l'influence du diamètre du tube sur la structure des décharges dans un mélange He - N2 et dans l'air. / In this Ph.D. thesis, we have carried out 2D numerical simulations to study the influence of dielectric surfaces on the propagation dynamics of plasma discharges at atmospheric pressure. First we have improved the computational efficiency of the discharge code used in this work in implementing parallelization techniques and more efficient numerical schemes. Second we have studied the dynamics of an air discharge at atmospheric pressure in a point-to-plane geometry with a dielectric layer on the cathode plane. Then, we have studied the influence of a dielectric layer obstacle in the inter-electrode gap. We have shown that depending on the characteristics of the dielectric layer and the amplitude and polarity of the applied voltage, a second discharge may reignite or not below the dielectric in the second air gap. The comparison of simulation results with experiments has shown that in a point-to-plane geometry with a sharp point and a high over-voltage, a single conical discharge structure is observed. A good agreement on the discharge diameter and propagation velocity has been obtained. With a dielectric obstacle in the gap, the simulated reignition dynamics is faster than in the experiments. To improve the agreement, we have studied the influence of several physico-chemical processes. Finally, we have studied the dynamics of discharges in dielectric tubes at atmospheric pressure. For a He -N2 mixture, we have put forward the importance of three body reactions. Last, the influence of the tube radius on the structure of discharges in He - N2 and air is discussed.

Nous étudions par simulation numérique le transport et le dépôt turbulent d’inclusions d’oxydes métalliques (de l’ordre de 10 µm de diamètre) en suspension dans l’acier liquide. Deux surfaces de dépôt sont envisagées : l’interface acier liquide/paroi solide et l’interface métal liquide/laitier. Dans les deux cas, nous nous focalisons sur la couche limite adjacente à l’interface. Le comportement des inclusions en suspension est examiné à l’aide d’un suivi lagrangien où le poids, la poussée d’Archimède, la force d’accélération en volume, la force de masse ajoutée et la force de traînée sont prises en compte dans l’équation de la dynamique. Dans le cas de la paroi solide, nous nous appuyons sur une représentation schématique de l’écoulement du métal liquide dans la sous-couche visqueuse et dans la zone tampon, où les structures turbulentes qui apportent le liquide à la paroi (sweeps) ou l’éjectent (bursts) sont décrites analytiquement (modèle d’Ahmadi). Les simulations numériques montrent que les mécanismes principaux de dépôt des inclusions sont la sédimentation et dans une moindre mesure l’interception directe. Notons cependant que la contribution de l’interception directe croît avec l’intensité turbulente de l’écoulement et peut devenir prépondérante pour les vitesses de frottement les plus élevées (au-delà de 0,1 m.s-1). Les effets inertiels ont, quant à eux, une contribution négligeable sur le dépôt des inclusions (contrairement au cas des aérosols). Enfin, la prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la paroi solide conduit à une diminution significative de la vitesse de dépôt des inclusions. Dans le cas de l’interface acier liquide/laitier, l’écoulement du métal liquide est calculé par simulation numérique directe (DNS) à l’échelle de la couche de surface. La turbulence, générée à distance de l’interface par un forçage aléatoire, diffuse vers l’interface métal liquide/laitier modélisée comme une surface libre indéformable. L’évolution des inclusions en suspension est obtenue par un suivi lagrangien à l’aide d’un couplage one-way. Le nombre de Reynolds de surface des simulations varie de 68 à 235. Le diamètre des inclusions varie de 10-5m à 5.10-5m et le rapport entre la densité des inclusions et la densité du métal varie de 0,5 (inclusions d’alumine) à 1 (inclusions fictives). Il apparaît que le dépôt des inclusions d’alumine est contrôlé par la sédimentation. En l’absence d’effet gravitaire, le dépôt d’inclusions est contrôlé par l’interception directe et dépend fortement du nombre de Reynolds de surface. Dans ce dernier cas, nous montrons que la vitesse de dépôt adimensionnée par la vitesse de Kolmogorov de surface est proportionnelle au diamètre des inclusions adimensionné par la longueur de Kolmogorov de surface. La prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la surface libre conduit à une diminution de moitié de la contribution de l’interception directe mais affecte peu la contribution gravitationnelle. En outre, en l’absence d’effet gravitaire, la linéarité entre la vitesse de dépôt adimensionnée et le diamètre des inclusions adimensionné est conservée. / The deposition of metallic oxide inclusions (of about 10 µm in diameter) suspended in liquid steel is studied by numerical simulation. Two types of deposition surface are investigated, i.e., the liquid steel/solid wall interface and the liquid steel/liquid slag interface. In both cases, we focus on the boundary layer adjacent to the interface. The inclusion behavior is examined thanks to Lagrangian particle tracking: Newton’s second law governing inclusion motion includes the buoyancy force, the pressure gradient force, the added mass force and the steady drag force.For the liquid steel/solid wall interface, the inclusion behavior is analyzed in the buffer layer and in the viscous layer. These layers are described according to Ahmadi’s model, which provides a kinematic representation of the turbulent structures responsible for deposition, i.e., the sweeps and the bursts of liquid. The numerical simulations show that the deposition is mainly controlled by sedimentation. However, since the direct interception contribution increases with the turbulence intensity, direct interception becomes dominant for the highest values of the friction velocity (greater than 0.1 m.s-1). When the hydrodynamic interactions between the inclusions and the solid surface are taken into account, the deposition velocity is significantly reduced. Finally, it should be noted that the inertial forces have a negligible effect on the inclusion deposition velocity. For the liquid steel/liquid slag interface, the inclusion turbulent deposition is investigated using direct numerical simulation of the liquid flow combined with Lagrangian particle tracking under conditions of one-way coupling. The interface is modeled as a non-deformable free-slip surface. Unsheared turbulence is generated by random forcing in a finite-height region parallel to the free-slip surface. In between, the turbulence diffuses toward the free surface. The Reynolds number at the interface varies from 68 to 235. The inclusion diameter varies from 10-5m to 5.10-5m and the particle to liquid density ratio from 0.5 (alumina inclusions) to 1 (fictitious inclusions). It appears that the deposition of alumina inclusions is controlled by sedimentation whereas direct interception is the only deposition mechanism for non-buoyant inclusions. In the latter case, the deposition velocity strongly depends on the surface Reynolds number. It is shown that the deposition velocity made dimensionless by the free surface characteristic velocity scales as the inclusion diameter made dimensionless by the Kolmogorov length scale calculated at the free surface. When the hydrodynamic interactions between the inclusions and the free surface are taken into account, the direct interception contribution of the deposition velocity is significantly reduced (about half of the value without hydrodynamic retardation) but the scaling law is conserved.

Dans le cadre de la prédiction du risque fracturaire associée à diverses pathologies, comme l'ostéoporose, cette étude vise à une meilleure compréhension du comportement mécanique de l'os cortical humain, notamment à l'échelle de la microstructure, et, en particulier, du processus biologique de remodelage osseux. Ce phénomène permet, en effet, le renouvellement continuel de la microstructure au cours du temps et contribue ainsi à une diminution de l'endommagement de l'os et, par conséquent, des risques de fracture. Les facteurs déterminants et les conséquences sur les champs mécaniques locaux au sein de la microstructure sont ici recherchés. Une approche couplée, expérimentale et numérique, est proposée. Huit spécimens de fémurs humains, de sexes féminins, âgés de 74 à 101 ans sont analysés. L'analyse expérimentale est réalisée à différentes échelles. A l'échelle macroscopique, le module de Young et les paramètres à la rupture sont déterminés via des essais de compression et les relations potentielles avec les caractéristiques morphométriques, que sont l'âge, la porosité et la densité minérale, sont évaluées. L'analyse de l'évolution des champs de déformations locaux au cours de ces essais de compression et des essais de nanoindentation permet d'accéder à des échelles plus fines (micro- et nanoscopique) afin d'apprécier l'hétérogénéité de la microstructure. On s'intéresse plus particulièrement à l'endommagement de l'os et à l'étape d'initiation de microfissures ainsi qu'à l'hétérogénéité du module de Young. Macroscopiquement, le paramètre le plus influent semble être la porosité. Microscopiquement, les paramètres mécaniques recueillis, notamment les valeurs de déformations pour lesquelles l'os commence à se fissurer, sont intégrés dans les simulations numériques. Un scénario simplifié du remodelage osseux est alors mis en place au sein des microstructures étudiées expérimentalement et, par ailleurs, supposées endommageables. Une loi d'évolution de l'endommagement est introduite et fait l'objet d'un travail d'homogénéisation temporelle afin de considérer l'endommagement par fatigue. Les facteurs d'activation du remodelage et l'évolution des champs mécaniques au cours du processus sont, en particulier, étudiés. L'interaction du phénomène biologique et du comportement mécanique, à l'échelle de l'ostéon, est ainsi mise en évidence. / The understanding of the cortical bone remodelling process at the microscopic scale is essential in the prediction of the risk of fracture. Indeed, bone remodelling allows the perpetual regeneration of damage or old bone. The determining factors as well as the consequences of the phenomenon on the mechanical parameters of the microstructure are assessed. An experimental and numerical approach is proposed. Eight femurs from old women are analysed. Experiments are achieved at different scales. At the macroscopical scale, the Young modulus and the fracture parameters are estimated through compression testing and their eventual relations with the morphometrical characteristics (age, porosity and mineral density) are checked. Analyses of the local deformation evolution and of nanoindentation tests give access to the micro- and nanoscales and reveal the bone heterogeneity. Bone damage, especially the stage of microcracks initiation and the heterogeneity of the Young modulus as well as the mineral density are assessed. Macroscopically, porosity is determining. Microscopically, the mechanical values ob- tained, particularly the deformation value at the stage of microcracks initiation, are implemented in the numerical simulation. A bone remodelling scenario is carried out in the former experimental microstructures, supposed damageable. A damage evolution law is set and is improved by taking into account the fatigue damage through a time homogenization method. The factors of remodelling activation and the mechanical parameters evolution during the remodelling process are investigated. Eventually, the interaction between the biological phenomenon and the mechanical behaviour, at the osteon scale, is revealed.

Une couche de mélange est généralement considérée comme un prototyped'écoulements libres cisaillés trouve sa présence au sein des nombreuses phénomènesnaturelles et applications industrielles. Le fort développement de l'aéroacoustique, notammentgrâce aux progrès des simulations numériques, a permis d'identifier les structures cohérentesqui se développent dans l'écoulement comme les principales sources de bruit. En outre,l'analyse de stabilité permet de caractériser l'émergence des ondes d'instabilités sous forme deces structures. Dans ce cadre, nous proposons de réaliser à travers ce mémoire une analysede stabilité globale, afin de comprendre l'émergence de fréquences fondamentales, ainsi qu'unedécomposition modale linéaire et non-linéaire, afin de caractériser les structures cohérentesessentiellement responsables du rayonnement acoustique. En particulier, nous proposons dedévelopper les méthodes de stabilité globale en régime compressible ainsi qu'une technique decalcul de structures cohérentes appliquée en régime non-linéaire basée sur la méthode« DMD ». De tels outils d'analyse sont validés et illustrés sur une configuration académiqued'une couche de mélange à co-courant, de type d'amplificateur de bruit, d'un simple cas où uneseule source est impliquée dans le rayonnement acoustique à un cas plus complexe où deuxsources sont présentes. Aussi bien la DMD temporelle que la DMD spatiale sont montréscapables de décrire le comportement des structures cohérentes en champ proche et lescaractéristiques des ondes acoustiques en champ lointain. Enfin, les méthodes dedécomposition modale s'avèrent une base de réduction de modèle pertinente, dans l'objectifd'un contrôle efficace. / A mixing layer is generally considered as a prototype of free shear flows whichoccur in a very broad spectrum of applications from natural phenomena to the engineeringscience. The increasing development of the aeroacoustics, more particularly thanks to theprogress in numerical simulations, has allowed to identify the coherent structures which evolvein the flow as the main sound sources. Furthermore, the emergence of the instability wavestaking the form of the coherent structures can be characterized by the stability analysis. In thiscontext, we propose through this work to perform a global stability analysis, in order tounderstand the emergence of fundamental frequencies, as well as a modal decompositionwithin both a linear and nonlinear framework, to characterize the coherent structures primarilyresponsible for the sound generation. In particular, we propose to develop the methods of theglobal stability with respect to the compressible flows as well as a technique of calculation ofcoherent structures applied to the nonlinear regimes based on the DMD method. Such analysistools are validated and illustrated on an academic configuration of a co-flowing mixing layer, atypical noise amplifier, from a simple case where a single source is implicated in the acousticradiation to a more complex case where two sources are present. Both the temporal and spatialDMD are shown capable of describing the characteristics of the coherent structures in the nearfield and the behaviour of the acoustic waves in the far field. Finally, the methods of the modaldecomposition have proven themselves as a relevant model reduction aiming at designing anefficient control strategy.

L’objectif principal de ces travaux de thèse est de caractériser lecomportement et l’endommagement d’un matériau HLE durant le procédé depoinçonnage. Ils comportent dans un premier temps, une étude expérimentale quirepose sur des observations micrographiques et des essais macroscopiques àdifférents états de contrainte, afin d’identifier les mécanismes physiquesd’endommagement mis en jeu. Cette étude est complétée par une modélisationnumérique du modèle d’endommagement de Gurson modifié en cisaillement et sonimplémentation dans ABAQUS/Explicit. Une stratégie d’identification des paramètresmatériau basée sur une large gamme de configurations expérimentales a été mise enplace. Des essais de poinçonnage ont été réalisés en faisant varier le jeu poinçon-matrice, afin de tester la capacité prédictive du modèle de Gurson modifié par rapportau modèle de GTN classique et à un critère découplé basé sur l’initiation de rupture.L’influence du jeu poinçon-matrice sur la qualité de découpe et sur les niveaux desétats de contrainte et de déformation a été également mise en évidence. Lesprédictions de rupture obtenues par cette approche et pour le matériau étudié sont enbon accord avec les observations expérimentales. Il reste à valider le modèle pourdes configurations de couples matériau/procédé plus étendues et à réaliser sonenchainement avec les autres procédés de mise en forme. / The main objective of this thesis is to characterize the behavior anddamage of a HSLA materials during the punching process. They comprise in a firsttime, an experimental study based on micrographic observations and macroscopictests at different stress states to identify the physical mechanisms of damage set in.This study is complemented by a numerical simulation modeling of a Gurson damagemodel modified in shear case and its implementation in ABAQUS / Explicit. Anidentification strategy of material parameters based on a wide range of experimentalconfigurations has been realized. Punching tests were performed by varying thepunch-die clearance to test the predictive ability of the modified Gurson modelcompared to the standard GTN model and to decoupled criterion based on the ductilefracture initiation. The influence of the punch-die clearance blanking quality and instress and strain states levels was also highlighted. Predictions of fracture obtainedby this approach and for the material studied are in good agreement withexperimental observations. It remains to validate the model for larger couple’smaterial/process configurations and realize its concatenation with other formingprocesses.

L'industrie automobile cherche à réduire son utilisation des liquides de coupe en usinage pour des raisons économiques, environnementales et sanitaires. Les fabricants développent ainsi la démarche Minimum Quantity Lubrication qui vise à réduire au strict minimum l'utilisation des liquides de coupes en usinage. En l'absence de liquide de coupe, la stabilisation thermique de la pièce n'est plus assurée et des échauffements locaux apparaissent. Ces échauffements créent des déformations qui doivent être quantifiés et pris en compte afin d'assurer la conformité de la géométrie produite.Une démarche de modélisation de l'échauffement d'une pièce pendant l'usinage est présentée. Le modèle obtenu permet à la fois de quantifier la quantité de chaleur introduit dans la pièce pour des usinages simples et de simuler les déformations d'une pièce complexe lors de l'enchainement d'opération d'usinage. Cette quantification repose sur une méthode inverse. Elle est appliquée à des opérations de fraisage, perçage et taraudage d'un alliage d'aluminium AS9U3. Dans un second temps, une étude de l'influence de l'ordonnancement des opérations d'usinage d'un carter de boite de vitesses automobile sur la qualité de la géométrie produite est conduite. Cette étude illustre l'intérêt du modèle de simulation et des outils développés pendant la thèse. Enfin, les enjeux économiques et environnementaux de la technologie MQL seront abordés. / The application of MQL or dry machining in mass production becomes more and more accepted. Dry (MQL) machining is a very efficient solution to reduce the usage of cutting fluids and represents an effective measure for an environmental friendly production. However, these techniques do not benefit any more from the stabilization in temperature obtained with cutting fluids. More important and more heterogeneous increases of the temperature are observed. This leads to distortions of the work piece during machining which are necessary to be taken into account to maintain the geometrical quality of the manufactured surfaces.A model of the warm-up of a part during machining is presented. The obtained model allows to quantify heat introduced into the work piece for simple operations and to feign the distortions of a complex part when operations are enchained. This quantification is based on an inverse method. It is applied for reaming, drilling and tapping process for an aluminum alloy AS9U3. Secondly, a study about influence of operations organization is done. We use the model to quantify distortions an aluminum clutch case along machining. This study illustrates interest of the model and of tools developed during the PhD. In a last part, economic and environmental stakes of the MQL approach are discussed.

Le formage superplastique (SuperPlastic Forming, SPF) permet d'élaborer des pièces de forme complexe qui, de par les matériaux employés, allient faible densité et haute résistance mécanique. Toutefois, sa mise en œuvre nécessite la connaissance de la loi de pression à appliquer afin de contrôler l'endommagement tout comme la répartition d'épaisseur au sein de la pièce. Il est ainsi nécessaire de mettre en place des simulations numériques pour déterminer les conditions optimales du formage. L'exactitude des prédictions obtenues repose alors sur la description du comportement et de l'endommagement du matériau soumis à des conditions thermomécaniques représentatives du procédé considéré. Le présent travail propose donc une modélisation du comportement et de l'endommagement de l'alliage d'aluminium 7475 via une étude comparative de divers modèles. Les travaux peuvent ainsi être divisés en trois grandes étapes : (i) la caractérisation du comportement de l'alliage ; (ii) la caractérisation de l'endommagement de l'alliage et (iii) la mise en place de simulations numériques pour des formes types. Des essais de traction uniaxiale à chaud ont été réalisés afin de caractériser le comportement de l'alliage 7475. Une modélisation de ce-dernier par trois modèles (Norton-Hoff, Johnson-Cook et Zener-Hollomon) est proposée. Les résultats obtenus montrent que le modèle de Zener-Hollomon conduit à la meilleure description du comportement rhéologique de l'alliage dans les conditions thermomécaniques étudiées. Par la suite, l'endommagement de l'alliage 7475 dans des conditions représentatives du formage superplastique a été étudié. Un critère de type Gurson est proposé. Des observations par micro-tomographie aux rayons X ont d'ailleurs permis d'étudier plus précisément l'évolution de l'endommagement au cours de la déformation. À partir de ces résultats, des simulations numériques par éléments finis (sous ABAQUS) ont été mises en place. / Superplasticity is the ability of some materials to sustain very high value of strain (up to 2000%) under low stress and within a specific range of temperature and strain rate. Complex shape components combining low density and high strength can thus be elaborated by using this peculiar characteristic. Superplastic forming process consists in deforming a flange by applying a variable pressure until the flange takes the form of a die. A good knowledge of the pressure law to apply is therefore primordial in order to avoid damage and obtain homogeneous thickness distribution. Numerical simulations are generally used to predict the optimal forming conditions. But a precise description of the rheological response of the material (in terms of flow rule and damage evolution) under thermomechanical conditions representative of the process is necessary. The PhD work introduces several rheological models to describe the behavior of a 7xxx aluminum alloy during superplastic forming process. The work is divided into three parts: (i) characterization of rheological models, (ii) characterization of damage models and (iii) development of numerical simulations to predict the superplastic forming of typical shapes. Hot uniaxial tensile tests have been performed to characterize the rheological behavior of a 7475 alloy. Three models (i.e. Norton-Hoff, Johnson-Cook and Zener-Hollomon) have been identified but only the last one leads to a good prediction of the material response. A GTN damage model has also been identified. Observations by X-rays micro-tomography have allowed studying in more details the damage evolution during the deformation. From these results, different cases have been simulated in ABAQUS.

Les métaux à l’état semi-solide présentent un comportement rhéofluidifiant caractérisé par une forte chute de la viscosité avec la vitesse de déformation facilitant le remplissage des matrices lors de la mise en forme. L’exploitation de ce comportement donne lieu à un procédé de mise en forme appelé « thixoforgeage ». L’état semi-solide est obtenu en refusion partielle à partir de l’état solide et la fraction de solide est supérieure à 0.8. Les plus hautes températures mises en jeu dans le cas des matériaux à haut point de fusion comme les aciers rendent la maîtrise du procédé plus complexe. Cependant, les travaux antérieurs sur le thixoforgeage d’aciers ont montré le potentiel de ce procédé pour réduire la consommation en matière première et en énergie. La thèse s’inscrit dans le cadre du projet TACA «Thixoforgeage d’Aciers pour la fabrication de Composants Automobiles» piloté par l’IRT-M2P. Il ambitionne le développement industriel du thixoforgeage des aciers pour la fabrication de pièces automobiles. La maîtrise et le développement du thixoforgeage nécessite une bonne connaissance du comportement mécanique du matériau à l’état semi-solide et le développement d’outils de simulation numérique adaptés. Ce travail de thèse a pour objectifs de (i) caractériser expérimentalement le comportement thermomécanique des aciers à l’état semi-solide, (ii) développer un modèle de comportement destiné à être implanté dans le logiciel FORGE® pour simuler le thixoforgeage. Une attention particulière a été portée sur le comportement en traction pour caractériser l’intervalle de température dans lequel le matériau devient très sensible à la fissuration à chaud. Des essais en traction menés à différentes températures ont permis de déterminer la température à partir de laquelle la résistance et la ductilité du matériau chutent drastiquement. Les mécanismes conduisant à ces chutes ont été identifiés et sont conformes à ceux décrits dans la littérature. Un modèle basé sur une approche d’homogénéisation qui prend en compte explicitement le rôle mécanique des phases liquide et solide a été développé. Ce modèle repose sur une approche viscoplastique établie antérieurement puis enrichie afin (i) d’intégrer le comportement élastique du squelette solide saturé en liquide et (ii) distinguer les évolutions de distribution spatiale des phases liquide et solide selon le trajet de chargement en traction ou en compression. Il permet de décrire avec succès, pour la première fois, les trois stades de la réponse mécanique en traction (augmentation, stabilisation puis chute de la contrainte en fonction du déplacement). Le modèle a ensuite été implanté dans le code éléments finis FORGE®. Les simulations des essais de traction GLEBBLE ont permis d’identifier les paramètres du modèle. Des comparaisons des résultats expérimentaux et numériques ont permis de reproduire des phénomènes de localisation de la déformation réelle. Après la validation sur des essais de traction, des simulations de procédés de thixoforgeage industriel, tels que le forgeage de U, ont été étudiées et comparées aux résultats expérimentaux réalisés sur la plateforme Vulcain de l'ENSAM de Metz. Un critère permettant de définir des zones sensibles à la fissuration à chaud a été proposé. La comparaison avec des observations expérimentales a montré que ce critère constitue une première approche encourageante pour prédire les zones de fragilité de la pièce en thixoforgeage. / Semi-solid metals and alloys exhibit a shear thinning behavior characterized by a sharp drop in viscosity with increasing strain rate. This property promotes a smooth die filling during forming. To exploit this advantage, several semi-solid forming process have been developed. Among these processes, we find the thixoforging when the semi-solid state is obtained by a partial remelting from solid state. The solid fraction is above 0.8. Thixoforging of high melting point alloys such as steels is particularly challenging because of about 1400°C temperatures involved. However, previous works showed that this process reveals high potential to reduce material as well as energy consumption. The present PhD thesis is part of a French research project named TACA «Thixoforging of steels for fabrication of automative parts» leaded by IRT-M2P. It aims at industrial development of steel thixoforging for manufacturing automotive components. The mastery and the development of steel thixoforging require a good knowledge of the mechanical behavior of semi-solid steels and appropriate numerical tools to simulate the process. The PhD work aims to (1) characterize the thermomechanical behavior of semi-solid steels and (2) develop constitutive equations that have to be implemented into the commercial code FORGE® to simulate thixoforging. A special attention was paid to the tensile behavior to investigate the temperature range in which the material is very sensitive to hot cracking. Tensile tests provided the temperature from which the material lost its tensile strength and its ductility. Mechanisms leading to the drop of these two properties were identified and were found to be consistent with mechanisms described in literature. A model based on homogenization approach, namely taking explicitly into account the mechanical role of the liquid and solid phases was developed. This model is based on a viscoplastic approach previously developed that was enhanced to (1) include the elastic response of the solid skeleton saturated with liquid and to (2) distinguish the evolution of the spatial liquid/solid distribution according to the tensile or compressive loading path. It successfully describes the three stages of the response in tension: increase, stabilization and decrease of the stress with increasing displacement. The model was implemented in the FORGE® finite element code. The experimental tensile tests were simulated to provide identification of the model parameters. The simulation results showed that strong deformation localization zones were predicted consistently with experiments. Simulations of thixoforging industrial processes such as forging U were studied and compared with experimental results achieved on the Vulcan platform (ENSAM Metz). In addition, a criterion determining the zones without any tensile strength and so sensitive to hot cracking was proposed. Comparison with experimental observations showed that this criterion is an encouraging first approach to predict the brittle zones of thixoforging parts.

Dans le noyau des cellules eucaryotes, l’ADN s’enroule autour d’histones pour former des nucléosomes, lesquels s’arrangent à leur tour en une fibre compacte et dynamique appelée chromatine. Les propriétés physiques de cette fibre aux différentes échelles, depuis la double-hélice de l’ADN jusqu’aux chromosomes micrométriques, sont essentielles aux mécanismes complexes de l’expression des gènes et sa régulation. La présente thèse est une contribution audéveloppement de modèles physiques capables de relier les différentes échelles, et d’interpréter et d’intégrer des données provenant d’une large gamme d’approches expérimentales et numériques. En premier lieu, nous utilisons des simulations de dynamique moléculaire d’oligomères d’ADN pour étudier l’ADN double-hélical à différentes températures. Nous estimons la contribution séquence-dépendante de l’entropie à l’élasticité de l’ADN, en lien avec des expériencesrécentes sur la longueur de persistence de l’ADN. En second lieu, nous modélisons les interactions ADN-histones au sein du Nucleosome Core Particle. Nous utilisons la nanomécanique de l’ADN afin d’extraire un champ de force d’un ensemble de structures cristallographiques du nucléosome et de données de dynamique moléculaire. En troisième lieu, nous étudions la partie plus molle du nucléosome, l’ADN linker entre les core particles, qui s’associe transitoirement à l’histone H1 pour former un “stem”. Nous combinons des informations structurales existantes avec des données expérimentales à deux résolutions différentes (DNA footprinting et électro-microscopie) afin de développer un modèle de stem à l’échelle nanométrique. / In the nucleus of eukaryotic cells, DNA wraps around histone proteins to form nucleosomes, which in turn associate in a compact and dynamic fiber called chromatin. The physical properties of this fiber at different lengthscales, from the DNA double-helix to micrometer-sized chromosomes, are essential to the complex mechanisms of gene expression and its regulation. The present thesis is a contribution to the development of physical models, which are able to link different scales and to interpret and integrate data from a wide range of experimental and computational approaches. In the first part, we use Molecular Dynamics simulations of DNA oligomers to study doublehelical DNA at different temperatures. We estimate the sequence-dependent contribution of entropy to DNA elasticity, in relation with recent experiments on DNA persistence length. In the second part, we model the DNA-histone interactions within the nucleosome core particle,using DNA nanomechanics to extract a force field from a set of crystallographic nucleosome structures and Molecular Dynamics snapshots. In the third part, we consider the softer part of the nucleosome, the linker DNA between coreparticles which transiently associates with the histone H1 to form a “stem”.We combine existing structural knowledge with experimental data at two different resolutions (DNA footprints and electro-micrographs) to develop a nanoscale model of the stem.