Le contexte de ce travail concerne le process d'Infusion de Résine Liquide (LRI) développé dans le cadre du projet « FUSelage COMPosite » par DAHER SOCATA. Ce process de fabrication permet de réaliser des pièces de formes complexes et des panneaux entiers de fuselage en composites, ce qui réduit considérablement les étapes d'assemblages et donc les temps de production. Les travaux de thèse portent sur l'identification expérimentale du comportement d'un fuselage composite. Ce travail se divise en deux parties qui sont la qualification du contrôle non destructif (CND) par rapport à une taille de défaut critique et l'identification du comportement d'une structure composite orthotrope en présence de ce défaut. Le premier volet consiste à évaluer les techniques de CND basées sur des mesures de champs (acoustiques, thermiques et densimétriques), capables de détecter des défauts internes de types délaminage et porosité au sein de structures composites monolithiques et sandwichs, et fournissant une visualisation des résultats par une cartographie de défauts 2D ou 3D. Le choix de ces méthodes a été motivé par la volonté de DAHER SOCATA d'acquérir de nouvelles compétences en matière de CND. Le deuxième volet consiste à évaluer les paramètres élastiques d'une structure composite orthotrope (structure comprenant une zone saine et une zone localement dégradée) via une procédure d'identification, à partir de mesures de champs, globale et locale par recalage de modèles éléments finis. Cette procédure se décompose en quatre parties avec tout d'abord l'identification des propriétés de la structure saine, ensuite la localisation de la zone dégradée, l'intégration de celle-ci dans le modèle éléments finis, et l'identification des propriétés de cette dernière. / The context of this work concerns the process of Liquid Resin Infusion (LRI) developed under the project "composite fuselage" by DAHER SOCATA. This manufacturing process can produce parts with complex shapes and entire panels of composite fuselage, reducing assembly steps and therefore the production time. The thesis work focused on the experimental identification of the behavior of a composite fuselage. This work is divided into two parts which are the qualification of non destructive testing (NDT) compared to a critical defect size and the identification of the behavior of an orthotropic composite structure with defect. The first part is to evaluate the NDT techniques based on full field measurements (acoustic, thermal and densimetric), capable of detecting internal defects as porosities and delaminations in monolithic and sandwich composite structures, and providing a results visualization by a 2D or 3D defects map. The choice of these methods was motivated by DAHER SOCATA which wants to learn new NDT skills. The second part is to evaluate the elastic parameters of an orthotropic composite structure (structure composed by a virgin zone and a damaged zone) through an identification process from field measurements, by global and local step. This procedure is divided into four parts with two identification steps and a image processing step.

Ce travail vise à approfondir la connaissance du comportement mécanique de polymères structurés sur de multiples échelles. Il repose sur l'acquisition simultanée d'informations couplées relatives à la mécanique, à la thermique et à la microstructure. Nous avons à cet effet étudié le comportement du Polyéthylène Haute Densité (PEHD) sous sollicitations de traction à déformation contrôlée à l'aide de trois techniques optiques utilisées in situ simultanément : (i) Le système Vidéotraction® pour l'accès aux contraintes et aux déformations vraies. (ii) La thermographie infrarouge pour l'accès aux sources thermiques. (iii) Une technique de rétrodiffusion de lumière (ISLT) pour l'accès à une forme d'endommagement. Le corps du travail porte sur la reconstruction des sources thermiques 2D à partir de cartographies des champs de température mesurés au cours d'essais. Le problème inverse de reconstruction des champs de sources ther-miques est résolu par deux méthodes différentes : minimisation sous contrainte avec formulation adjointe et décomposition modale. Des techniques de régularisation du problème sont décrites en détail pour chaque méthode. D'autre part, la technique ISLT nous permet de suivre l'endommagement : l'apparition progressive de "mi-crocavités" isotropes puis un développement d'une forte anisotropie pendant la phase de durcissement hyperélastique. Nous montrons que ces informations sur la microstructure viennent corroborer les phénomènes observés sur la source thermique. Nous replaçons alors l'ensemble des informations obtenues dans le contexte d'une modélisation thermodynamique des lois de comportement. Une étude de sensibilité aux paramètres du modèle est développée, ce qui conduit à une réduction du modèle adaptée à leur bonne estimation / This research aims at looking further into current knowledge of the mechanical behavior of semi-crystalline polymers at multiple scales. It relies on the simultaneous acquisition of coupled information relating to me-chanical, thermal and microstructural behaviors. For this purpose, we have studied the response of High Density Polyethylene (HDPE) under tensile tests with controlled strain rates, using three optical techniques : (i) Vidéotraction®, a videoextensemeter to access the true stress and strain. (ii) Infrared thermography to access the thermal sources evolution. (iii) Backscattering of Incoherent Light (ISLT technique) to access information on damage mechanisms. The core of the research concerns the reconstruction of the 2D thermal sources starting from temperature fields maps measured during the test. This ill-posed problem has been solved with two different methods : A constrained optimization based on the adjoint formulation and a minimization based on a reduced spectral model. The regularization tools used in the problem are detailed for each method. The ISLT technique allows to monitor damaging processes due to crazing : the creation of isotropic micro-cavities followed by the development of a strong anisotropy during the hardening phase. We show that these information at microstructural level confirm the evolutions of the heat source thermal. All these experimental information are finally considered within a thermodynamical framework used for deri-ving constitutive laws. A sensitivity analysis applied to the parameters of our law led to a reduced model that is more appropriate for their proper estimation

Le sujet de l'étude concerne la caractérisation thermique à hautes températures de matériaux anisotropes dont la diffusivité thermique varie selon la direction considérée. Cette mesure de la diffusivité est permise par l'observation des variations transitoires de température d'un matériau soumis à un flux de chaleur de type impulsionnel. L’excitation provient d’un Laser et la mesure de température est réalisée par thermographie infrarouge sur la face opposée à l'excitation thermique. Le champ de température ainsi obtenu permet de déterminer les trois diffusivités du matériau selon ses directions d'anisotropie. En effet, grâce à des transformations intégrales du champ de température, il est possible d'obtenir un modèle théorique décrivant les variations de température au sein du matériau. Les estimations des diffusivités s'obtiennent alors par la minimisation de la somme des écarts quadratiques entre les modèles théoriques et leurs équivalents expérimentaux. Il s'agit de problèmes d'optimisation non linéaire et les estimations sont réalisées dans le domaine des fréquences spatiales et dans le temps grâce à une inversion numérique de Laplace. Basée sur des dispositifs optiques, cette méthode est non intrusive et grâce aux modèles analytiques les mesures sont rapides et précises même à haute température. La méthode ainsi que le nouveau banc expérimental mis en place rendent possible la mesure des trois diffusivités en une unique expérience pour des excitations de forme quelconque en espace et non nécessairement Dirac en temps / The study concerns the thermal characterization at high temperatures of anisotropic materials whose thermal diffusivity varies according to the direction considered. This measurement of diffusivity is allowed by the observation of the transient variations of temperature of a material subjected to a heat pulse source. The excitation is performed by a Laser and the temperature measurement is carried out by infrared thermography on the opposite face of the thermal excitation. The temperature field thus obtained makes it possible to determine the three diffusivities of the material according to its directions of anisotropy. Indeed, thanks to integral transforms of the temperature field, it is possible to obtain a theoretical model describing the temperature variations within the material. The estimates of diffusivities are then obtained by the minimization of the sum of squared residuals between the theoretical models and their experimental equivalents. These are problems of nonlinear optimization and the estimations are carried out in the spatial frequency domain and in time thanks to a numerical inversion of Laplace. Based on optical devices this method is non-intrusive and thanks to the use of analytical models the estimations are fast and accurate even at high temperatures. The method and the new experimental facility make it possible to estimate the three thermal diffusivities in a single experiment and this for excitations of any shape in space and not necessarily Dirac’s delta function in time

L’utilisation croissante des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) dans des structures de plus en plus complexes, notamment en vue d'applications médicales, rend nécessaire la compréhension des phénomènes régissant leur comportement et plus précisément la pseudo-élasticité. Le fort couplage thermomécanique, résultant de la transformation de phase martensitique, est un point clé de ce comportement. Les travaux de thèse présentés sont consacrés à l’étude et la modélisation de ce couplage. Tout d’abord, la transformation de phase martensitique provoque une déformation et une émission de chaleur couplées qui peuvent se localiser en bandes de transformation sous sollicitation uniaxiale. Une partie de cette thèse a été consacrée au développement de la Corrélation d’Images InfraRouge, qui permet à partir d’un unique film IR de mesurer conjointement, en une seule analyse, les champs cinématiques et thermiques discrétisés sur un même maillage éléments finis. Une application à l’analyse d’un essai de traction sur AMF de type NiTi a été réalisée. Le comportement pseudo-élastique a aussi été abordé d’un point de vue modélisation. Une large part de ce travail de thèse a donc été consacrée à l’élaboration d’un modèle multiéchelle et multiaxial, décrivant le comportement d’un VER à partir de la physique de la transformation martensitique à l’échelle de la maille cristalline. L’approche est inspirée de modèles multiéchelles développés pour la modélisation d’autres couplages multiphysiques et notamment magnéto-élastique. La troisième partie de cette thèse a été consacrée à l’élaboration d’un modèle de structure 1D sous traction uniaxiale. Dans un premier temps un modèle de thermique 1D ainsi qu’un modèle mécanique phénoménologique à seuils ont été développés. Les simulations rendent compte des phénomènes de transformation diffuse accompagnant l’élasticité puis de la transformation localisée. L’algorithme est notamment capable de gérer les deux sens de transformation. Ce modèle met en compétition les deux phénomènes transitoires de génération et évacuation de la chaleur par la transformation de phase et les échanges thermiques avec l’environnement. Ainsi, il est capable de reproduire la relation liant le nombre de bandes de transformation générées à la vitesse de sollicitation et aux conditions aux limites thermiques. Un travail été initié pour coupler ce modèle de structure et de gestion de la thermique au modèle monocristallin multiaxial. Sans encore reproduire la localisation de la transformation en bande, les simulations de traction montrent un hystérésis, issu des pertes thermiques dans l’air ambiant, bien que le modèle de comportement multiéchelle élémentaire soit écrit dans un cadre réversible, l’irréversibilité et la localisation étant avant tout des effets de transferts. Le couplage thermomécanique à la source des comportements si spécifiques des AMF que sont la super élasticité et la mémoire de forme ont donc été étudiés sous divers points de vue : expérimentalement, par l’établissement de modèles de comportement, par la simulation de structures 1D et des échanges thermiques mis en jeu. Les outils et modèles ont été appliqués à l’étude du Ni49,75at%Ti, support de ce travail, mais sont facilement adaptables à tout autre AMF. L’approche utilisée pour la modélisation multi-échelle peut être étendue à d’autres couplages, par exemple en cumulant les couplages thermo- et magnéto- mécaniques en vu de l’étude des Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques par exemple. / The increasing use of Shape Memory Alloys (SMA) for complex structure, especially for medical applications, requires a better understanding of the phenomena governing their behaviors and particularly the super-elasticity. The strong thermomechanical coupling resulting from the martensitic phase transformation is a key point of this behavior. The thesis is devoted to the study and modeling of this coupling. First, the martensitic phase transformation causes coupled local deformation and heat emission that can locate onto transformation bands when structure undergoes uniaxial stress. A part of this thesis has been devoted to the development of InfraRed Image Correlation (IRIC). This technique permits us to measure by a single analysis, from a single IR film, both kinematic and thermal fields discretized on the same finite element mesh. An application to the analysis of a tensile test on a NiTi type AMF has been made. Superelastic behavior is also discussed from a modeling point of view. A large part of this work has been devoted to the development of multiaxial multiscale model describing the behavior of a RVE from the description of martensitic transformation at the crystal scale. The approach is inspired from multiscale models developed for modeling other multiphysic couplings especially the magneto-elastic coupling. It is based on the comparison of the free energies of each component, without any topological description. A probabilistic comparison is made, using a Boltzmann distribution, to determine the internal variables : the volume fractions. Interfaces are not taken into account. This model allows the simulation of the effect of any thermo-mechanical loading. It well gives account of the superelasticity, including the asymmetry in tension / compression ... The third part of this thesis has been devoted to the development of a one dimensional model for structure under uniaxial tension. In a first step, a 1D thermal model and a phenomenological mechanical model, based on the Clausius Clapeyron diagram have been developed. The simulations account for the diffuse transformation accompanying the elasticity at the very beginning of stress-strain behavior, and localized phase transformation afterthat. The algorithm is capable of handling two-way transformation. This model emphasizes competition both transient phenomena : generation and heat dissipation by the phase transformation and heat exchange with environment. Thus, it is able to reproduce relationship linking the number of nucleated transformation bands to the strain rate and the thermal boundary conditions. A study has been initiated to couple this model to the singlecrystalline multiaxial RVE model detailed in the previous part. It is currently not able to model the localization phenomenon, but the simulations show a tensile hysteresis issued from the thermal losses in the air. Indeed, even if the local multiscale model is written in a reversible way, irreversibility and the localization are primarily structural effects. The thermomechanical coupling is at the origin of the so specific AMF behavior (super elasticity and shape memory effect), it has been studied from various points of view: experimentally, by establishing RVE models, by simulating 1D structures and heat exchange. Developed tools and models have been applied to the study of Ni49, 75at% Ti, but are easily adaptable to other AMF. The approach used for the multi-scale modeling can be extended to other couplings, such as couplings cumulating the thermo-and magneto-mechanical aspect for the study of Magnetic Shape Memory Alloys for example.

Ce travail vise à améliorer notre compréhension du comportement en fatigue à grand et très grand nombre de cycles d’un acier ferrito-martensitique dual phase, notamment les effets de la température et de la vitesse de déformation résultant de chargements cycliques à haute fréquence. L'effet de la fréquence sur la réponse en fatigue de l'acier DP600 a été étudié en effectuant des essais de fatigue sur une machine ultrasonique travaillant à 20 kHz et sur une machine conventionnelle travaillant à des fréquences inférieures à 100 Hz. Des études de fractographie et des observations microscopiques à la surface des échantillons ont été effectuées pour étudier les mécanismes de déformation et de rupture. De plus, la thermographie infrarouge in situ a été utilisée pour étudier la réponse thermique et les mécanismes dissipatifs du matériau lors des essais de fatigue. Les courbes S-N ont été déterminées à partir de chargements de fatigue ultrasoniques à 20 kHz et d’essais conventionnels à 30 Hz. La durée de vie pour une amplitude de contrainte donnée est plus élevée dans le cas de la fatigue ultrasonique bien que la limite de fatigue soit identique dans les deux cas. L’augmentation inévitable de la température en fatigue ultrasonique à fortes amplitudes de contraintes, ainsi que le comportement dépendant de la vitesse de déformation de la ferrite, en tant que structure CC, ont été trouvés comme les paramètres clés expliquant le comportement observé en fatigue, et la réponse thermique sous les fréquences faibles et ultrasoniques. Les écarts observés entre l’essai de fatigue conventionnel et celui ultrasonique ont été évalués à travers les mécanismes de mobilité des dislocations vis dans la phase ferritique de structure cubique centrée (CC). La durée de vie plus élevée et l’amorçage de la fissure principale sur une inclusion observés en fatigue ultrasonique ont été attribués au vieillissement dynamique résultant du fort auto-échauffement du matériau aux fortes amplitudes de contraintes. L'existence d'une transition du régime thermiquement activé au régime athermique avec l’augmentation de l'amplitude de contrainte a été mise en évidence. Au-dessous de la limite de fatigue, la déformation a lieu dans un régime thermiquement activé alors qu'elle est dans un régime athermique au-dessus de la limite de fatigue. En fatigue conventionnelle, la déformation est athermique pour toutes les amplitudes de contrainte. Une carte de transition a été produite en utilisant les résultats expérimentaux pour l'acier DP600 ainsi que les données disponibles dans la littérature pour d'autres aciers à base de ferrite, montrant ainsi la corrélation entre le mouvement des dislocations vis thermiquement activé et l'absence de rupture en fatigue à très grand nombre de cycle. / This work is an attempt towards a better understanding of the high cycle and very high cycle fatigue behaviors of a ferritic-martensitic dual-phase steel, with a regard to temperature and strain rate effects, resulting from accelerated fatigue loading frequencies. The influence of frequency on fatigue response of DP600 steel was investigated by conducting ultrasonic and conventional low frequency fatigue tests. Fractography studies and microscopic observations on the surface of specimens were carried out to study the deformation and fracture mechanisms under low and ultrasonic frequencies. Moreover, in situ infrared thermography was carried out to investigate the thermal response and dissipative mechanisms of the material under fatigue tests. The S-N curves were determined from ultrasonic 20-kHz fatigue loadings and conventional tests at 30 Hz. Fatigue life for a given stress amplitude was found to be higher in the case of ultrasonic fatigue whereas the fatigue limit was the same for both cases. Moreover, crack initiation was always inclusion-induced under ultrasonic loading while under conventional tests it occurred at slip bands or defects on the surface. The inevitable temperature increase under ultrasonic fatigue at high stress amplitudes along with the rate dependent deformation behavior of ferrite, as a body centered cubic (BCC) structure, were found as the key parameters explaining the observed fatigue behavior and thermal response under low and ultrasonic frequencies. The discrepancies observed between conventional and ultrasonic fatigue tests were assessed through the mechanisms of screw dislocation mobility in the ferrite phase as a BCC structure. The higher fatigue life and inclusion-induced crack initiations in the case of ultrasonic loading were attributed to the dynamic strain aging, which resulted from the high temperature increases at high stress amplitudes. The existence of a transition in deformation regime from thermally-activated to athermal regime under ultrasonic fatigue loading by increasing the stress amplitude was confirmed. Below the fatigue limit, deformation occurred in thermally-activated regime while it was in athermal regime above the fatigue limit. Under conventional loading deformation occurred in athermal regime for all stress amplitudes. From the analysis of the experimental data gathered in this work, guidelines were given regarding the comparison and interpretation of S-N curves obtained from conventional and ultrasonic fatigue testing. A transition map was produced using the experimental results for DP600 steel as well as data available in the literature for other ferrite based steels, showing the correlation between thermally-activated screw dislocation movement and the absence of failure in very high cycle fatigue.

Le présent travail de thèse fait suite à une première étude où une stratégie d’identification des paramètres et formes des lois de zones cohésives a été élaborée pour des matériaux homogènes. L’extension au cas de matériaux présentant des hétérogénéités nécessite d’accéder localement aux champs de contraintes.Ainsi, l’objectif principal de cette étude est de mettre au point une méthode de caractérisation locale des propriétés mécaniques et des contraintes. Cette méthode est basée sur l’erreur en relation de comportement combinée à l’exploitation de la richesse des mesures de champs cinématiques planes et plus particulièrement des champs de déformations, obtenus par dérivation numérique des champs de déplacements. Cette mesure cinématique est réalisée par une technique de corrélation d’images numériques enrichie.La méthode d’identification est basée sur la minimisation itérative d’une norme énergétique faisant intervenir le tenseur élastoplastique sécant. Différentes simulations numériques ont illustré la capacité de la procédure à identifier localement des champs de propriétés hétérogènes et sa robustesse et sa stabilité vis-à-vis du bruit de mesure, du choix du jeu de paramètres d’initialisation de l’algorithme et de la finesse du maillage.Pour finir, des essais plans avec différentes géométries d’éprouvettes ont été effectués et un essai a été mis au point pour obtenir de manière maîtrisée un état initial très hétérogène. Les résultats d’identification élastoplastique multilinéaire ont montré la capacité de la méthode à identifier les lois de comportements locales sur ce matériau hétérogène. / The present work follows a first approach where a strategy for identifying the shape and the parameters of cohesive-zone laws has been developed for homogeneous materials. The extension of this method to heterogeneous material requires the knowledge of the local stress state.The study aims at developing a local characterization method for mechanical properties and stresses. This method is based on the constitutive equation gap principles and relies on the knowledge of mechanical kinematic fields and particularly of the strain fields. These fields are obtained by the numerical differentiation of displacement fields measured by digital image correlation.This identification method is based on the iterative minimization of an energy norm involving the secant elastoplastic tensor. Various numerical simulations were used to illustrate the performance of the procedure for locally identifying heterogeneous property fields, and to characterize its robustness and its stability with respect to noise to the values of the algorithm initialization parameter and to the mesh refinement.Finally, various experimental tests with different specimen geometries were performed and a test has been developed to obtain a controlled heterogeneous initial state. The multilinear elastoplastic identification results showed the ability of the method to identify the local behavior properties on heterogeneous materials.

Dans ce travail, nous proposons une approche essentiellement expérimentale. Dans une première partie, nous exposons les résultats obtenus par imagerie rapide et mesures électriques corrélées dans le temps, concernant l’étude de la transition entre des électrodes de cuivre dans l’air et l’argon, et entre des électrodes de tungstène dans l’argon pour des pressions comprises entre 100 mbar et 1 bar. Dans aucun cas une transition à l’arc n’est observée sans constriction quasi-totale de la colonne positive. Dans le cas d’électrodes en tungstène dans l’argon, la vitesse d’extension de la zone filamentaire depuis l’anode vers la cathode a été vue dépendante de la pression et de l’intensité. La durée d’une transition spontanée a été linéairement corrélée à la distance inter-électrode, suggérant un mécanisme propagatif à vitesse constante dans la colonne. Plus la pression est élevée, plus la durée totale des transitions est longue ; par ailleurs, à pression constante, cette durée de transition spontanée décroît à intensité croissante, pour tendre vers une durée limite, correspondant à la durée constante de changement de structure de la zone cathodique. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l’échauffement de surfaces d’anodes et de cathodes en cuivre dans l’air et dans l’argon soumises à des arcs électrique pour plusieurs gammes de courant (de 30 à 120 A). Deux méthodes de mesures sont utilisées. Enfin, nous utilisons les mesures de températures de surface pour proposer deux modèles simples de bilan de puissance à la surface des électrodes (flux de chaleur). L’un considère uniquement le chauffage dû au spot d’arc et l’autre le chauffage supplémentaire de la colonne d’arc. / In this work, an approach which is essentially experimental is proposed. In the first part, results are presented which were obtained by synchronized fast camera imaging and electrical measurements. These concern the study of the transition between copper electrodes in air and in argon, and between tungsten electrodes in argon for gas pressure in the range 100 mbar – 1 bar. In no case was the transition to arc been observed without the quasi-total constriction of the positive column. Considering tungsten electrodes in argon, the propagation speed of the filamentary part of the positive column from the anode to the cathode was found to be dependent on the gas pressure and the discharge current intensity. During spontaneous transition, the transition duration has been linearly correlated to the electrode gap, suggesting a propagative mechanism with a constant speed. The higher the pressure, the longer is the total transition duration. For a constant pressure and discharge current, the duration of spontaneous transition decreases with decreasing gap distance toward a limiting value, which corresponds to the constant duration of the structural change of the cathode root from diffuse to spot. In the second part, heating of copper anodes and copper cathodes submitted to electric arcs in air and in argon and for various current intensity values (from 30A to 120 A) is considered. Two measurement methods are used. Finally, the surface temperature measurements are used to purpose two models of the electrode surface power balance (heat flux). One model only considers the heating due to the arc spot and the second one considers a supplementary heating from the arc column.

Ce travail de thèse aborde les conditions et les mécanismes qui conduisent des fils superélastiques de NiTi à la rupture sous chargement mécanique cyclique. Les alliages à mémoire de forme du type NiTi présentent des propriétés thermomécaniques fonctionnelles comme la superélasticité et l’effet de mémoire de forme simple et double, lesquels sont générées grâce aux transformations de phase martensitiques provoquées soit par un changement de la contrainte ou de la température. Ces transformations de phase sont en principe des processus totalement réversibles et sans endommagement. Cependant, lorsque le NiTi est soumis à des transformations de phase induites par des contraintes cycliques, la performance en fatigue de l’alliage chute considérablement par rapport au NiTi non-transformant. La plupart des courbes S-N de fatigue rapportant cette chute ont été mesurées sur des fils NiTi a section constante dans lesquels les transformations martensitiques se développent de façon hétérogene par nucléation et propagation de bandes de cisaillement. De plus, d'après notre expérience, des essais de fatigue sur des échantillons de fils à section constante entrainent la rupture à l'intérieur des mors de la machine d'essai. Par conséquent, les valeurs de contrainte-déformation rapportées dans les courbes S-N ne sont pas nécessairement représentatives des conditions mécaniques critiques qui conduisent le matériau à la rupture. Dans le but de mieux caractériser les performances en fatigue des fils NiTi, nous avons effectué une série de tests de fatigue en traction-traction, tout en utilisant des échantillons sous forme ≪ diabolo ≫. La géométrie de ces échantillons nous a permis de confiner tous les processus de transformation martensitique et de fatigue dans un volume utile bien défini. La caractérisation du comportement thermomécanique de ces échantillons a été réalisée en combinant plusieurs techniques expérimentales et d'analyse telles que la corrélation d'image numérique(DIC), la thermographie infrarouge, la diffraction des rayons X à source synchrotron, la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage et l'analyse par éléments finis. Une attention particulière à été portée à la performance de NiTi dans le régime à grand nombre de cycles (HCF) dans laquelle le matériau présente un comportement élastique ou une transformation de phase intermédiaire (appelée R-phase). Les résultats des tests de fatigue nous ont permis de distinguer les étapes de nucléation et de propagation des fissures pendant la durée de vie totale de nos échantillons. Afin de mieux comprendre les mécanismes qui conduisent à la nucléation des fissures, nous avons appliqué la méthode de l’auto-échauffement, qui a démontré son efficacité dans la prédiction de fatigue dans les cas des alliages d'aluminium et des alliages d'acier. Cette méthode corrèle l'élévation de température d'un échantillon soumis à différentes amplitudes de charge cyclique avec des mécanismes de dissipation d'énergie. Ces mécanismes dissipatifs sont après associés à l’accumulation d’endommagement locale dans le matériau. La méthode d'autoéchauffement a été réalisée en utilisant des mesures de champs thermiques des d'échantillons de NiTi sous forme diabolo pendant de chargement cyclique. / This Ph.D. dissertation thesis addresses the conditions and mechanisms that lead superelastic NiTi wires to fail under cyclic mechanical loads. NiTi shape memory alloys exhibit functional thermomechanical properties (superelasticity, shape memory effect, thermal actuation) due to martensitic phase transformations caused by a change of the applied stress and temperature. These phase transformations are though as fully reversible damage-free processes, however, when NiTi is subjected to repetitive stress-induced phase transformations its fatigue performance drops drastically in comparison to non-transforming NiTi. Most of fatigue S-N curves reporting this drop were measured on straight NiTi wires in which martensitic transformations proceed heterogeneously through nucleation and propagation of shear bands. Moreover, from our experience fatigue testing straight wire samples results in undesired failure inside the testing machine clamps. Hence, the reported stress-strain values in S-N curves are not necessarily representative of the critical mechanical conditions that lead the material to failure. With the aim of better characterize the fatigue performance of NiTi wires, we started by carrying out a series of pull-pull fatigue tests using hourglass-shaped samples. This sample geometry allowed us to confine all martensitic transformation and related material fatigue processes into a well-defined gauge volume. The samples’ characterization was performed by combining several experimental and analysis techniques such as Digital Image Correlation, Infrared Thermography, Synchrotron-source X-ray diffraction, Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy and Finite Element Analysis. A special attention was paid to the High Cycle Fatigue (HCF) performance of NiTi in which the material shows elastic behavior and/or an intermediate phase transformation (so-called R-phase). The results from HCF tests allowed us to distinguish crack nucleation and crack propagation stages during the total life of our NiTi samples. In order to get a better understanding of the mechanisms that lead to crack nucleation, we applied the nonconventional Self-Heating fatigue assessment method, which has shown efficiency in the case of aluminum and steel alloys. This method correlates the temperature elevation of a sample subjected to different cyclic load amplitudes with energy dissipating mechanisms that contribute to accumulating local damage in the material. The Self-Heating method was performed using full-field thermal measurements of cyclically loaded NiTi hourglass-shaped samples.

Les caméras infrarouges modernes permettent d’accéder à la mesure de champs thermiques et de leur évolution temporelle. Le traitement d’images obtenues permet d’analyser la signature thermique d’objets mobiles ou de fluides en écoulement. Dans ce contexte nous avons fait l’étude de trois expériences différentes. La première consiste à suivre des billes mobiles et à évaluer leurs coefficients d’échanges thermiques avec l’environnement par l’estimation de temps caractéristiques. Dans le deuxième cas, nous faisons une comparaison entre deux fluides qui s’écoulent dans un microcanal, afin de déterminer les variations relatives des propriétés thermiques. La dernière application consiste à réaliser une cartographie de diffusivité thermique avec une source de chaleur mobile. / The modern infrared cameras allow the measurement of thermal fields and their temporal evolution. Infrared images processing is suitable to analyze the thermal signature of moving objects or fluid flows. In this context, we made the study of three different experiments. The first one is relative to infrared tracking of randomly moving balls and then estimate their thermal exchanges with the environment by the estimation of some characteristic time. In the second case we made a comparison between two fluids which flow inside a microchannel in order to determine the relative changes of thermal properties. The last application was to estimate a thermal diffusivity field with a mobile heat source.

This study is part of an original approach based on quantitative imaging techniques, such as Infrared Thermography, to study the damage under fretting loadings. The main objective was the establishment of new experimental method for a rapid determination of crack initiation conditions under fretting loadings, based on the analysis of the thermal signal. One other objective was the determination of the different heat sources in order to assess a local analysis of the fretting damage. This work underlined the great potential of Infrared Thermography to study this damage. / Cette étude s'inscrit dans une approche originale basée sur des techniques d'imagerie quantitatives comme la thermographie infrarouge pour étudier l'endommagement sous chargement de fretting. Le premier objectif était de développer une méthode de construction rapide de carte de fretting basée sur l'analyse du signale thermique au cours d'essais de fretting. Un deuxième objectif était de déterminer les sources de chaleurs accompagnant le fretting pour une meilleure compréhension des mécanismes d'endommagement. Ce travail a souligné le grand potentiel de la thermographie infrarouge pour l'étude de c'est phénomènes.