L’usage des écrans tactiles est devenu omniprésent ces dernières années. Ces appareils prennent une place de plus en plus importante dans notre de vie de tous les jours, on les retrouve dans nos maisons, bureaux et même dans nos poches. L’abondance de ces nouvelles interfaces a soulevé l’intérêt pour les technologies permettant une stimulation tactile, et mis en perspective le manque de ce type d’interfaces dans les nouvelles générations d’appareils mobiles avec écrans tactiles. Aujourd’hui, les appareils possédant ce type d’écran se contentent de fournir un retour sensoriel sous la forme de simples vibrations, qui n’ont pas pour objectif de recréer les sensations du toucher de surfaces. La recherche de nouvelles interfaces tactiles, plus performantes, et assurant une restitution plus proche d’une sensation naturelle est donc en cours. Plusieurs solutions technologiques ont prouvé leur efficacité mais posent des problèmes d’industrialisation. Dans cette thèse, une de ces méthodes adaptées aux écrans tactiles, la lubrification ultrasonique, est présentée. Cette méthode de stimulation s’appuie sur la création d’une onde stationnaire ultrasonore au sein d’un résonateur en verre et est capable de faire varier en temps réel la sensation de frottement entre le doigt de l’utilisateur et la surface du résonateur. Grace à des mesures tribologiques, les paramètres influents tels l’amplitude vibratoire, la vitesse d’exploration du doigt, la fréquence de résonance du stimulateur sont mis en évidence. Cette analyse permet la proposition d’une première série de spécifications techniques pour la conception de dispositifs à retour tactile. L’étude est ensuite complétée par l’analyse des problèmes d’alimentation et de contrôle du système, avec en considération les questions d’intégration au sein de dispositifs portables et les problèmes d’industrialisation du processus de fabrication. Enfin, des études psychophysiques sont menées pour affiner du point de vue perceptuel le cahier des charges de conception d’un tel dispositif. / The last few years have seen the emergence of ubiquitous mobile devices and tactile interfaces. These devices take an ever-important place in our daily life, they are present in our home, office, cars and even pockets. The abundance of these novel interfaces raised the interest in touch based human-machine interactions and highlighted the problem of the lack of natural touch feedback in the existing generation of tactile displays. Today’s smartphones all possess basic haptic feedback thanks to low frequency vibrations. However, these vibrations are far from the natural touch sensation of a surface. The search for a better tactile feedback, closer to the natural human perception, is ongoing. Multiple solutions are being explored to deliver improved haptic feedback on existing mobile platforms such as smartphones or tablets. In this thesis, we investigate the tactile feedback thanks to ultrasonic lubrication, well adapted to touch screen. This technology uses the creation of a resonating standing wave in a substrate to modulate in real time the friction perceived by user moving his finger on the resonator surface; the principle is effective even on a flat glass surface. By a series of experimental friction measures, the influence of the relevant parameters such as the vibration amplitude, the exploratory speed, the resonance frequency is highlighted. This analysis is used to build advanced tactile interfaces, based on ultrasonic friction modulation. The control and the supply of the tactile interfaces are also investigated, considering the issues of integration and industrialization of the process. Finally, these new interfaces are used to explore advanced control methods, improving further the quality and reliability of the generated sensation. Psychophysical analysis is performed to fulfil the specifications of these devices on a perceptual point of view.

Les interactions tactiles avec les écrans tactiles tels que les smartphones et les tablettes sont devenues de plus en plus omniprésentes dans notre vie quotidienne. Ces dispositifs tactiles commerciaux fournissent rarement un retour haptique convaincant aux doigts humains malgré l'utilisation du toucher comme entrée principale; le retour haptique est généralement limité à la vibration. Par conséquent, différentes technologies ont été explorées pour générer un retour haptique dynamique afin d'améliorer la saisie sur les appareils à écran tactile. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement à une catégorie de retour haptique qui exploite les vibrations ultrasoniques pour créer un film d'air entre le doigt d'un utilisateur et l'écran pour réduire la friction lorsqu'il est activé, ce phénomène est appelé effet squeeze film. En effet, la perception tactile de l'utilisateur joue un rôle crucial dans l'interaction avec les dispositifs haptiques. Dans cette thèse, nous explorons d'abord la limitation de la perception tactile des doigts de l'utilisateur sur les écrans tactiles haptiques ultrasoniques pour des explorations tactiles à un doigt et à plusieurs doigts au moyen d'expériences psychophysiques. Nous proposons ensuite un nouveau concept, appelé taxel, concernant la perception par l'utilisateur des éléments tactiles sur les écrans tactiles haptiques à ultrasons. En outre, nous décrivons comment optimiser les performances d'interaction de l'utilisateur dans des tâches d'interaction communes en utilisant les vibrations ultrasoniques. Enfin, nous étudions comment le signal tactile peut être combiné avec des signaux auditifs pour améliorer la perception de l'utilisateur dans les interactions musicales. / Touch interactions with tactile displays such as smart-phones and tablets, have become more and more ubiquitous in our daily life. These commercial touchscreen devices rarely provide a compelling haptic feedback to human fingers despite the use of touch as primary input; haptic feedback is typically limited to vibration. Therefore, different technologies have been explored to generate dynamic haptic feedback to enhance input on touchscreen devices. In this dissertation, we are are particularly interested in a category of haptic feedback which leverages ultrasonic vibrations to create an air-gap between a user's finger and the display to reduce friction when activated, a phenomenon called the squeeze film effect. Indeed, user's tactile perception plays a crucial role for interacting with haptic displays. In this thesis, we first explore user's fingers limitation of tactile perception on ultrasonic haptic displays for both one-finger and multi-finger touch explorations by means of psychophysical experiments. We then propose a novel concept, called taxel concerning user's perception of tactile elements on ultrasonic haptic touchscreens. Furthermore, we describe how to optimize user's interaction performances in common interaction tasks by leveraging ultrasonic lubrication. Finally, we study how tactile signal can be combined with auditory signals to enhance user's perception in musical interactions.

RESUME Face à une pression environnementale grandissante, il est désormais nécessaire de trouver une alternative au bois et aux panneaux à base de bois traités chimiquement. C'est dans cette optique que nous avons évalué la durabilité naturelle de contreplaqués en mélange d'essences composés de plis durables (duramen de cyprès, cèdre et châtaignier) et non durables (peuplier, hêtre, aubier de cyprès et de cèdre) face à des champignons lignivores (Coriolus versicolor et Coniophora puteana) et des termites (Reticulitermes santonensis). L'épaisseur des plis (1.3 et 2.6 mm), le pourcentage de plis durables et non durables (40% et 60%), le nombre de plis (5 et 9) et les modalités d'intégration des plis durables et non durables (11 combinaisons symétriques) dans chaque panneau ont été étudiés en tant que variables. Une méthode ultrasonore (non destructive) et d'indentation (semi-destructive) ont été mise en œuvre pour évaluer la présence et l'étendue de la dégradation biologique dans des contreplaqués purs et en mélange d'essences en tant que méthodes rapides par comparaison avec la méthode d'évaluation biologique basée sur la perte de masse (selon la norme ENV12038). Un test de cisaillement a aussi été réalisé avant et après exposition fongique afin d'évaluer la relation entre la perte de masse et la baisse de la résistance au cisaillement après dégradation biologique. Les résultats obtenus ont montré que mélanger les plis durables et non durables augmentait la durabilité naturelle des contreplaqués vis à vis des champignons. Cependant, l'essai de cisaillement après dégradation fongique révèle que la décroissance de la résistance au cisaillement des panneaux en mélange d'essence est plus proche de celle des panneaux purs non durables que des panneaux purs durables. Ces résultats signifient qu'il existe une perte de masse localisée dans les plis non durables des contreplaqués en mélange. La perte de masse des plis non durables (perte de masse localisée) des contreplaqués en mélange est plus fortement corrélée à la décroissance de la résistance au cisaillement que la perte de masse totale du contreplaqué à cette propriété mécanique. Les contreplaqués les plus résistants vis à vis des champignons ont été trouvés parmi les différents contreplaqués en mélange faits d'aubier et de duramen de cyprès, et certains modèles ont été résistants vis à vis des termites aussi. Les panneaux résistants à l'attaque de champignons et de termites possédaient des plis extérieurs durables. Les plis épais d'aubier de cyprès laissés intacts dans ces contreplaqués en mélange montre un effet protecteur (vis à vis des termites) venant des plis durables. L'essai d'indentation (mesure de l'énergie d'indentation avant et après dégradation) présente une meilleure corrélation avec la perte de masse que l'essai ultrasonore (mesure de la vitesse des ultrasons avant et après dégradation). DE plus, l'essai d'indentation peut aussi être utilisé pour déterminer le gradient de perte de masse et le seuil de rupture quand la dégradation biologique a lieu dans les plis non durables situés sous les plis durables extérieurs.

La technique de haute intensité ultrasons focalisés (HIFU) est maintenant largement utilisée pour le traitement du cancer, grâce à son avantage non-invasif. Dans un système de HIFU, une matrice de transducteurs à ultrasons est pilotée en phase pour produire un faisceau focalisé d'ultrasons (1M ~ 10 MHz) dans une petite zone de l'emplacement de la cible sur le cancer dans le corps. La plupart des systèmes HIFU sont guidées par imagerie par résonance magnétique (IRM) dans de nos jours. Dans cette étude de doctorat, un amplificateur de puissance de classe D en demi-pont et un système d'accord automatique d'impédance sont proposés. Tous deux circuits proposés sont compatibles avec le système IRM. L'amplificateur de puissance proposé a été réalisé par un circuit imprimé (PCB) avec des composants discrets. Selon les résultats du test, il a rendement de conversion en puissance de 82% pour une puissance de sortie conçue de 1,25W à une fréquence de travail de 3MHz. Le système d'accord automatique d'impédance proposé a été conçu en deux versions: une version en PCB et une version en circuit intégré (IC). Contrairement aux systèmes d'accord automatique proposés dans la littérature, il n'y a pas besoin de l'unité de microcontrôleur (MCU) ou de l'ordinateur dans la conception proposée. D'ailleurs, sans l'aide de composants magnétiques volumineux, ce système d'auto-réglage est entièrement compatible avec l'équipement IRM. La version en PCB a été conçue pour vérifier le principe du système proposé, et il est également utilisé pour guider à la conception du circuit intégré. La réalisation en PCB occupe une surface de 110cm². Les résultats des tests ont confirmé la performance attendue. Le système d'auto-tuning proposé peut parfaitement annuler l'impédance imaginaire du transducteur, et il peut également compenser l'impédance de la dérive causée par les variations inévitables (variation de température, dispersion technique, etc.). La conception du système d'auto-réglage en circuit intégré a été réalisé avec une technologie CMOS (C35B4C3) fournies par Austrian Micro Systems (AMS). La surface occupée par le circuit intégré est seulement de 0,42mm². Le circuit intégré conçu est capable de fonctionner à une large gamme de fréquence tout en conservant une consommation d'énergie très faible (137 mW). D'après les résultats de la simulation, le rendement de puissance de ce circuit peut être amélioré jusqu'à 20% comparant à celui utilisant le réseau d'accord statique. / High intensity focused ultrasound (HIFU) technology is now broadly used for cancer treatment, thanks to its non-invasive property. In a HIFU system, a phased array of ultrasonic transducers is utilized to generate a focused beam of ultrasound (1M~10MHz) into a small area of the cancer target within the body. Most HIFU systems are guided by magnetic resonance imaging (MRI) in nowadays. In this PhD study, a half-bridge class D power amplifier and an automatic impedance tuning system are proposed. Both the class D power amplifier and the auto-tuning system are compatible with MRI system. The proposed power amplifier is implemented by a printed circuit board (PCB) circuit with discrete components. According to the test results, it has a power efficiency of 82% designed for an output power of 3W at 1.25 MHz working frequency. The proposed automatic impedance tuning system has been designed in two versions: a PCB version and an integrated circuit (IC) version. Unlike the typical auto-impedance tuning networks, there is no need of microprogrammed control unit (MCU) or computer in the proposed design. Besides, without using bulky magnetic components, this auto-tuning system is completely compatible with MRI equipment. The PCB version was designed to verify the principle of the proposed automatic impedance tuning system, and it is also used to help the design of the integrated circuit. The PCB realization occupies a surface of 110cm². The test results confirmed the expected performance. The proposed auto-tuning system can perfectly cancel the imaginary impedance of the transducer, and it can also compensate the impedance drifting caused by unavoidable variations (temperature variation, technical dispersion, etc.). The IC design of the auto-tuning system is realized in a CMOS process (C35B4C3) provided by Austrian Micro Systems (AMS). The die area of the integrated circuit is only 0.42mm². This circuit design can provide a wide working frequency range while keeping a very low power consumption (137 mW). According to the simulation results, the power efficiency can be improved can up to 20% by using this auto-tuning circuit compared with that using the static tuning network.

Les matériaux pour la photocatalyse en lumière visible ont attiré un grand intérêt car ils peuvent exploiter tout le spectre d'irradiation solaire notamment afin de détruire des polluants organiques pour l'environnement comme dans la purification de l’eau. Dans ce contexte, le bismuth de vanadates (BiVO4) est digne d'intérêt en raison de sa largeur de bande interdite électronique (~ 2,3 eV) et sa potentielle activité photocatalytique. Des études systématiques ont été menées pour les caractéristiques physico- chimiques de poudres BiVO4 synthétisées par voie hydrothermale et par broyage mécanique à haute énergie. La pertinence de la méthode de mécano-synthèse a été démontrée grâce notamment à son faible coût de fonctionnement, de mise en œuvre facile ainsi que le nombre limité de paramètres et la possibilité d’obtenir des particules à taille réduite (20-100 nm) avec une phase cristalline monoclinique. En couches minces, les matériaux BiVO4 ont été synthétisés par pulvérisation ultrasonique (USP) et par pulvérisation cathodique radiofréquence (rf). Les paramètres pour des dépôts optimaux ont été identifiés permettant d’obtenir des films minces sans fissures, suffisamment denses avec des surfaces texturées à morphologies contrôlées. Les études structurales, vibrationnelles, et les propriétés électroniques et optiques ainsi que leur interprétation grâce à des modèles ont été menées pour une parfaite connaissance des caractéristiques des matériaux BiVO4. Pour les applications visées, BiVO4 sous forme de poudres et de films minces ont été utilisés comme photocatalyseurs pour la dégradation de rhodamine 6G (Rh6) et le bleu de méthylène (MB) sous irradiation en lumière visible. La structure scheelite monoclinique de nanoparticules sphérique de BiVO4 obtenues par mécano-synthèse, ont montré une efficacité améliorée (+50%) de l’activité photocatalytique par rapport à des particules de forme aciculaire obtenues par voie hydrothermale. Dans le cas de films minces, le taux de dégradation du BM est de l’ordre est de 66% pour les films synthétisés par USP alors qu’un taux de 99% a été atteint avec des films obtenus par pulvérisation cathodique rf. Ces travaux valident les propriétés photocatalytiques remarquables de BiVO4 par rapport aux matériaux existants avec des applications prometteuses, notamment dans la résolution de problèmes environnementaux. / Visible light photocatalysts have attracted a great interest since it may exploit the wide solar irradiation spectrum to destroy organic dyes as required for environmental need such as water purification. In this context, bismuth vanadate (BiVO4) is worth of interest due to its narrow band gap (~ 2.3 eV) and the ability to exhibit efficient photocatalytic activity. Systematic studies have been carried out on the physico-chemistry of BiVO4 synthesized as powders by hydrothermal and mechano-chemical techniques. The relevance of ball milling method was demonstrated through its low processing cost and easy scaling up as well as limited variable parameters to obtain reduced particle sizes down to (20-100 nm). As thin films, BiVO4 were grown by ultrasonic spray pyrolysis (USP) and rf-sputtering techniques. Optimum deposition parameters were identified, leading to the formation of crack free, dense media with textured surfaces composed by controlled morphologies. Analysis of the structural, vibrational, electronic and optical experiments, interpretation and development of models were carried out for deep insight on the properties of BiVO4 materials. For concrete applications, BiVO4 as powders and thin films were used as photocatalysts for the degradation of rhodamine 6G (Rh6) and methylene blue (MB) under visible light irradiation. Monoclinic scheelite structure of spherical-like BiVO4 nanoparticles obtained by mechano-chemical process, have shown 50% more efficient photocatalytic activity compared to acicular-like BiVO4 grains obtained by hydrothermal method. The average degradation rate of MB using USP grown films was found to be 66% during 120 minutes. A significant rate increase in the photocatalytic activity up to 99% was achieved by using rf-sputtered films. Thus, BiVO4 was demonstrated as efficient photocatalysts compared to existing materials with promising applications notably in solving environmental problems.

Le processus de sélection intersexuelle peut impliquer plusieurs mécanismes différents dans le choix du partenaire. Chez la pyrale Achroia grisella, les femelles choisissent les mâles en se basant sur des caractères de leur chant d'avertissement ultrasonique, et de précédentes études ont montré que ce choix peut procurer, à une femelle discriminante, certains bénéfices génétiques indirects. Dans cette thèse, j'ai continué à explorer le mécanisme de bénéfices indirects chez cette espèce en 1) déterminant avec plus de précision un paramètre acoustique, l‟amplitude du chant, qui influence le choix des femelles et en 2) examinant la covariance génétique entre les traits du chant mâle et ceux de la préférence femelle. J'ai constaté qu'en plus de préférer des chants mâles émis avec une plus grande amplitude et une plus grande puissance acoustique, les femelles font également une discrimination en faveur des chants comprenant des forts « pics d'amplitude ». Cependant, mes analyses génétiques moléculaires de la relation entre les traits du signal mâle et ceux de la préférence femelle, n'ont révélé aucune covariance significative, comme prédit par la théorie de la sélection sexuelle. Ces derniers résultats fournissent un aperçu important concernant l‟existence d‟un tempo réduit de la sélection sexuelle, dans les populations naturelles. / The process of inter-sexual selection may involve several different mechanisms of mate choice. In the pyralid moth Achroia grisella, females choose males based on characters of their ultrasonic advertisement song, and previous work has indicated that such choice may afford a discriminating female certain indirect genetic benefits. In this thesis I continued to probe the indirect benefits mechanism in this species by 1) determining with more precision one acoustic character, song amplitude, that influences female choice and by 2) examining the genetic covariance between the male song trait and the female preference trait. I found that in addition to preferring male songs delivered at greater amplitude and with greater acoustic power, females also discriminate in favor of songs including higher 'amplitude peaks'. However, my molecular genetic analyses of the relationships between the male signal and female preference traits did not reveal any significant covariance, as predicted by sexual selection theory. These latter findings provide important insight on the reduced tempo of sexual selection that may exist in natural populations.

L’Inconel 718 est utilisé dans les disques de turbine des moteurs d’avion, de par sa haute résistance à la corrosion, à l’oxydation, au fluage et sa haute résistance mécanique à très haute température. Le nombre total de cycles de ces composants mécaniques s’élève à 109~1010 durant sa vie. Ils subissent des chargements de grande amplitude à faible fréquence, comme les forces centrifuges ou les contraintes thermiques mais aussi des chargements de faibles amplitudes à très haute fréquence, du aux vibrations des pales. Dans ce travail, on se propose d’étudier la fatigue à très grand nombre de cycles (VHCF) de l’Inconel 718 en utilisant des machines de fatigue ultrasonique, fonctionnant à 20KHz. Le système d’acquisition utilise des cartes NI et le logiciel LabView pour superviser la fréquence, la température, les déplacements durant toute la durée des tests. Des capteurs laser Keyence utilisant deux sondes pour les faces supérieure et inférieure de l’éprouvette permettent de capturer la fréquence et les modes de vibration. La différence entre les valeurs moyennes mesurées permet d’accéder à l’allongement de l’éprouvette, dû à l’auto-échauffement.3 types de matériaux avec différents traitements thermiques, AR, DA et DAHQ de l’ONERA et SAFRAN sont comparés. La différence au niveau de la taille de grain, de la phase, des précipités, … est analysée par micrographie métallographique en utilisant un microscope optique (MO) et un microscope électronique à balayage (MEB). Le comportement en traction quasi-statique et sous chargement cyclique contrainte-déformation est aussi proposé. La transition entre durcissement et adoucissement cyclique apparait à l’issue du traitement thermique. Finalement, les surfaces de ruptures sont observées en utilisant des caméras optiques et un MEB afin d’identifier les mécanismes de ruptures de l’Inconel 718 dans le domaine de la fatigue à très grand nombre de cycles. / Inconel 718 is widely used in turbine disk of aeronautic engines, due to its high resistance to corrosion, oxidation, thermal creep deformation and high mechanical strength at elevated temperature. The total cycle of these mechanical components is up to 109~1010 during its whole lifetime. It endures high-amplitude low-frequency loading including centrifugal force or thermal stress, and also low-amplitude high-frequency loading came from vibration of blade.In this work, the very high cycle fatigue (VHCF) behaviour of Inconel 718 with self-heating phenomenon without any cooling is studied using ultrasonic fatigue system at 20KHz. Acquisition system is improved using NI capture card with LabView for monitoring the frequency, temperature, displacement and so on during all the tests. Keyence laser sensor with two probes at the top and bottom surfaces of the specimens is used to reveal the frequency and vibration mode. The difference of mean values between these two probes is the elongation of the specimen caused by self-heating phenomenon.Three sets of materials with different heat treatment, As-Received (AR), Directly Aged (DA) and Directly Aged High Quality (DAHQ) from ONERA and SAFRAN are compared. The difference of grain size, phase, precipitate particle, etc. is investigated by metallographic micrograph using optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM). Quasi-static uniaxial tensile property and cyclic stress-strain response is also proposed. The transition from cyclic hardening to cyclic softening appears after aged heat treatment. Finally, fracture surfaces are observed using optical camera and scanning electron microscope in order to identify the mechanism of fracture of Inconel 718 in the VHCF domain.

Les essais de fatigue peuvent être effectués dans une gamme de fréquences similaire, mais les fréquences les plus élevés sont généralement préférables afin de réduire le temps de test et d'obtenir des résultats dans une période raisonnable. La question reste à savoir si un effet de fréquence existe. Cette étude traite de l'effet de la fréquence de chargement sur la résistance à l'amorçage et à la propagation des fissures sur 3 matériaux (M800HY, CP1000 et DP1180) utilisés dans le domaine automobile. Deux rapports de charge (R=-1 et 0.1) et cinq fréquences de chargement (25 Hz, 30 Hz, 150 Hz et 20 kHz) ont été étudiés. Tout d'abord, nous avons réalisé des calculs par élément finis en dynamique pour dimensionner les éprouvettes et calculer l'étendue du facteur d'intensité de contrainte durant la propagation de la fissure de fatigue. Ensuite, nous avons réalisé des essais d'amorçage et de propagation. Indépendamment de la fréquence de chargement,l'amorçage de la fissure de fatigue est toujours surfacique à cause des concentrations de contraintes dues au processus de laminage ou de l'électro-galvanisation. L'observation des faciès de rupture sur éprouvettes testées à 30 Hz et 20 kHz montre que le mode de propagation est transgranulaire avec quelques localisations de rupture intergranulaire ou par clivage sur la nuance DP1180. Les stries de propagations sont présentes sur les faciès d'éprouvettes M800HY et absentes sur les faciès des deux autres nuances. La nuance DP1180 présente une meilleure résistance à l'amorçage et à la propagation de la fissure de fatigue. Concernant l'effet de la fréquence de chargement, globalement l'amorçage de la fissure de fatigue est dépendante de la fréquence de chargement, par contre, la propagation est indépendante de la fréquence. / Fatigue tests can be performed in a similar frequency range, but the higherfrequencies are generally preferable to reduce the test time and obtain results within areasonable time. The question remains whether a frequency effect exists. This study dealswith the effect of the loading frequency on fatigue strength and crack growth of 3 steels(M800HY, CP1000 and DP1180) used in automotive industry. Two load ratios (R = -1 and0.1) and five load frequencies (25 Hz, 30 Hz, 150 Hz and 20 kHz) were studied. First, weperformed dynamics finite element method to calculate the dimensions of the specimens(to vibrate with a resonance at 20 kHz), and, the stress intensity range as a function of the length of crack. Then, we have done some test on fatigue crack initiation and propagation. Whatever the loading frequency, the initiation of the fatigue crack is always on the surfacebecause of the stress concentrations due to the rolling process or the electro-galvanization.The observation with SEM of fracture surface of the specimens tested at 30 Hz and 20 kHzshows that the mode of propagation is transgranular with some locations of intergranularfailure or by cleavage on DP1180 grade. The fatigue striation on fracture surface arepresent on the M800HY and absent on the other two materials. The grade DP1180 has abetter resistance to the initiation and propagation of the crack. Regarding the effect ofloading frequency, overall the initiation of the fatigue crack is dependent on the loadingfrequency, however, the propagation is independent of the loading frequency.

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.

De nos jours, il est crucial pour les industries de réduire leur consommation énergétique. Pour les industries du transport, cela peut se faire par le biais de l’allègement des pièces de structure. Dans ce contexte, les structures cellulaires représentent une des solutions les plus prometteuses. Grâce au développement de la fabrication additive, l’élaboration de telles géométries complexes n’est plus un frein à leur utilisation. Néanmoins, cette dernière restera limitée tant que les propriétés mécaniques – et plus particulièrement la résistance en fatigue pour les pièces aéronautiques – ne seront pas maîtrisées. Ce travail de thèse a pour objectif de déterminer les mécanismes qui gouvernent le comportement en fatigue de ces structures cellulaires. Pour cela, le travail s’est focalisé sur l’élement unitaire les constituant : la poutre. Des éprouvettes minces représentatives de la poutre ont été élaborées par Electron Beam Melting puis caractérisées à l’état brut de fabrication à l’aide de différentes techniques (tomographie aux rayons X, microscopie optique et électronique, …). Leurs propriétés statique et cyclique en traction ont ensuite été évaluées. L’état de surface et en particulier les défauts d’entaille ont été identifiés comme responsable de la perte de résistance. L’impact de ces défauts sur la résistance en fatigue a été prédit avec succès par le biais de diagrammes de Kitagawa. L’impact de l’orientation de fabrication a également été observé et prédit. Différents post-traitements ont ensuite été utilisés afin d’améliorer ces propriétés. Le polissage chimique et le grenaillage ultrasonique ont réduit de manière significative la criticité des défauts de surface ce qui a grandement amélioré les propriétés mécaniques des éprouvettes, jusqu’à se rapprocher de celles obtenues après usinage. Par ailleurs, la compression isostatique à chaud a provoqué la fermeture de l’entièreté des défauts internes ainsi qu’un grossissement de la microstructure. Ce dernier point permet une amélioration supplémentaire de la performance en fatigue une fois combiné avec un traitement de surface. Enfin, une méthode permettant de détecter automatiquement tous les défauts d’entailles et de déterminer leur criticité et leur influence sur la résistance en fatigue a été proposée et discutée. Elle a ensuite été appliquée avec succès aux échantillons attaqués chimiquement mais des modifications demeurent nécessaire pour l’appliquer à d’autres états de surface. / Nowadays, reducing the energy consumption is crucial for most of the industries. For transportation industries, it can be achieved through weight reduction. In this context, cellular structures turn out to be one of the most efficient solution. Thanks to the development of additive manufacturing, producing such complex geometries is no longer an issue. However, their use will remain limited as long as their fatigue performances are not known. This PhD work aimed at understanding the mechanisms that govern the fatigue behaviour of such cellular structures. It was first decided to focus on their unitary element, i.e. a single strut. Single struts samples were manufactured by Electron Beam Melting and then characterized in as-built conditions using different experimental techniques (X-ray tomography, optical and electron microscopy, etc.). Their static and cyclic tensile properties were then evaluated. The rough surface and in particular notch-like defects were found to be responsible for the knockdown of the mechanical properties. Regarding the fatigue resistance, their detrimental impact was predicted using Kitagawa diagrams. It also enabled to explain the impact of the build orientation. Different post-treatments were used in order to improve these mechanical properties. Chemical etching and ultrasonic shot peening (USP) significantly reduced the severity of surface defects of as-built thin struts and thus increased their mechanical properties. After USP, the fatigue properties of machined samples were almost matched. Hot Isostatic Pressing lead to the closure of all internal defects and to the coarsening of the microstructure. When combined with one of the surface treatments, the fatigue properties were further improved. Finally, a method enabling to systematically and automatically extract from the surface the most critical defects and quantitatively analyze their influence on fatigue life was proposed and discussed. It was successfully applied to chemical etched samples but improvements are mandatory for other surface conditions.