Dans les semiconducteurs amorphes, les propriétés macroscopiques sont déterminées par les états localisés. La spectroscopie IR photomodulée nous a permis de faire une étude originale des états localisés dans ce matériau. Nous avons étudié l'absorption IR photomodulée de a-Si1-xCx:H. L'analyse des résultats nous a permis de déterminer la largeur de la queue de bande de valence et celle de la queue de bande de conduction séparément. a-Si1-xCx:H dopé au bore peut être rendu microporeux par anodisation dans un électrolyte à base de HF. Sa luminescence est décalée vers le bleu par rapport à celle du massif pour une même concentration en carbone. La caractérisation par spectroscopie IR a révélé un taux de carbone plus élevé dans les couches poreuses que dans le matériau massif correspondant. Cet enrichissement en carbone, dû à la dissolution sélective du silicium lors de l'anodisation a été confirmé quantitativement par SIMS. La variation de la photoluminescence de a-Si1-xCx:H a été mesurée entre 77 et 400K. En utilisant nos résultats de mesures d'absorption IR photomodulée, nous avons pu comprendre la dépendance de la PL avec la température grâce à un modèle.

Le friction stir welding (FSW) est un procédé de soudage inventé en 1991 par l'institut de soudure anglais, le TWI. Celui-ci suscite un vif intérêt de la part de l'industrie aéronautique par sa capacité de souder les alliages d'aluminium de la série 2XXX et 7XXX, à durcissement structural, réputés pratiquement insoudables. Ce procédé étant relativement récent, il fait encore sujet de recherches actives. Ce travail a pour objectif de prévoir le profil de dureté d'un joint soudé par FSW d'un alliage d'aluminium, le 2024 T3. Cet alliage étant à durcissement structural, il est nécessaire de prévoir l'influence de la température sur l'évolution de la précipitation au cours du procédé pour en déduire sa limite d'élasticité. L'estimation du champ de température durant le régime stationnaire du procédé s'appuie sur des travaux internes au centre SMS. La prévision de la précipitation au cours du soudage est effectuée à l'aide de deux modèles. Le premier modèle, à base d'équivalence temps–températures, est une proposition d'extension aux alliages d'aluminium sous-revenu du modèle de Myhr & Grong (1991) établi dans le cas des alliages d'aluminium sur-revenu. Le deuxième modèle s'appuie sur une discrétisation de la distribution des rayons des précipités, suivant le schéma numérique de Kampmann et Wagner (1983), pour calculer ensuite son évolution. Bien que le premier modèle permette de prévoir l'évolution de la dureté au cours de recuits isothermes, les profils de dureté simulés ne sont pas en accord avec les profils expérimentaux. Seul le deuxième modèle permet une prévision raisonnable de la microstructure, en accord avec les mesures réalisées dans la thèse de Genevois (2004), et des profils de dureté proches des résultats expérimentaux. Finalement, une expression analytique en fonction des paramètres microstructuraux du flux de chaleur lors d'un essai de calorimétrie différentielle (DSC) a été établie. Celle-ci donne la possibilité de simuler un essai de DSC, et de vérifier ainsi la cohérence entre les grandeurs thermodynamiques et cinétiques introduites dans le deuxième modèle de précipitation.

Cette étude, réalisée dans le cadre d'une thèse co-financée par la région Bretagne et l'Union Européenne, a pour objectif l'étude expérimentale et numérique du retour élastique après emboutissage. Ce phénomène, néfaste aux procédés de mise en forme dans le contexte industriel, modifie la forme finale des pièces fabriquées. Le retour élastique est issu des contraintes résiduelles, engendrées lors de la mise en forme, qui se relaxent lors du retrait des outils et des différentes étapes de découpe. L'étude porte sur deux alliages d'aluminium : Al5754-O et Al6016-DR130-T4. Leur caractérisation mécanique est réalisée à partir d'essais de traction et de cisaillement monotone et cyclique, afin de mesurer l'effet Bauschinger. La détermination des paramètres matériaux de lois de comportement élastoviscoplastiques à écrouissage isotrope et mixte, associés à des critères de plasticité isotrope ou anisotrope, a été réalisée. Des essais d'emboutissage de godets cylindriques ont été effectués à température ambiante pour les deux matériaux. Le retour élastique est mis en évidence après la découpe d'un anneau dans le mur d'un godet, puis l'ouverture de celui-ci. Différents paramètres expérimentaux comme l'effort de serre-flan et la vitesse d'avance du poinçon ont été étudiés dans le cas de l'alliage d'aluminium Al6016. Ces essais ont permis de constituer une base de données expérimentale conséquente pour les deux matériaux. La modélisation du procédé d'emboutissage a été réalisée avec le code de calcul par éléments finis Abaqus, ainsi que la prédiction du retour élastique. Plusieurs paramètres numériques comme le type d'éléments finis, la forme du maillage ou le procédé de découpe numérique, ont été étudiés. Cela a permis d'établir une configuration numérique de référence pour tester l'influence de la loi de comportement sur la modélisation du procédé d'emboutissage et la prédiction du retour élastique. Un dernier aspect envisagé dans notre étude concerne l'influence de la température sur le procédé de mise en forme et le retour élastique. La température joue un rôle important lors des différentes phases de mise en forme, engendrant une importante diminution des efforts mis en jeu et également du retour élastique. L'étude porte sur l'alliage d'aluminium Al5754 et sur une gamme de température comprise entre 25 et 200°C. La modélisation des effets de la température est réalisée en utilisant un modèle de comportement élastoviscoplastique à écrouissage isotrope prenant en compte la température et couplé à un critère de plasticité isotrope.

Ce travail a porté sur l'étude des mécanismes d'amorçage de fissures de fatigue dans l'alliage Ti-6Al-4V. Il a permis de mettre en évidence l'existence d'une structure fantôme, associée à l'hérédité structurale des alliages de titane, et composée de grains dont les dimensions sont près de 100 fois supérieures à la taille microstructurale. Nos travaux ont montré que ces grains millimétriques, que nous avons nommés ‘macrozones', peuvent avoir une influence marquée sur la réponse mécanique locale du matériau, ainsi que sur les mécanismes de fissuration. Des mesures en rayons X ont montré qu'en première approximation, les macrozones constituent des plages au sein desquelles la phase α possède une orientation cristallographique majoritaire. Une analyse complémentaire en EBSD a en outre révélé l'existence d'orientations secondaires qui correspondent à des variants de Bürgers de l'orientation principale. D'autre part, les orientations cristallographiques des macrozones voisines ne respectent pas la relation de Bürgers ; nous pensons donc que les macrozones correspondent aux ex-grains β. Afin de caractériser les premiers stades de fissuration en fatigue, des essais de flexion pure ont été réalisés. La fissuration est apparue très hétérogène à l'échelle des macrozones. Dans chaque macrozone, les fissures formées sont situées soit dans le plan de base, soit dans l'un des plans prismatiques, suivant le système de glissement ayant la cission résolue maximale. Outre l'orientation cristallographique de la macrozone, la densité de fissuration dépend également de l'orientation de la direction de glissement par rapport à la surface. Finalement, nous avons pu établir une loi d'évolution de la densité de fissuration en fonction de l'amplitude de cisaillement et de l'orientation cristallographique de la macrozone vis-à-vis de la sollicitation et de la surface. Notre étude a également montré que deux mécanismes distincts interviennent lors de la propagation des fissures : la coalescence de fissures entre elles et la propagation pure. L'importance de la coalescence croît avec la densité d'amorçage de la macrozone et est donc liée à son orientation cristallographique. Au contraire, la propagation pure ne dépend que très peu de l'orientation cristallographique des macrozones. De plus, lorsque la taille de la fissure est inférieure à celle de la macrozone, la propagation pure s'apparente à un régime de fissure courte dont la principale barrière microstructurale est l'interface entre macrozones. D'autre part, des observations expérimentales ont montré qu'au-delà de 500 µm, la propagation d'une fissure en fond d'entaille suit une loi de Paris. L'ensemble de ces résultats nous a permis de proposer un modèle de propagation de fissure en fond d'entaille. Enfin, un modèle prédictif de durée de vie a été construit, fondé sur des calculs de facteurs de Schmid dans des macrozones assimilées à des monocristaux de titane-α. Ce modèle permet une bonne approximation des durées de vie minimales d'éprouvettes lisses. Il fournit en outre une bonne compréhension des fortes variations de durées de vie d'éprouvettes entaillées, en considérant l'orientation cristallographique de la macrozone située dans la zone d'amorçage.

En présence d'une atmosphère riche en oxygène, à haute pression, un composant métallique porté au-delà d'une certaine température seuil, subit dans certaines conditions un processus de combustion ou d'inflammation rapide, qui peut endommager plus ou moins sérieusement, voire détruire complètement, le composant en question. Les problèmes liés à l'inflammabilité des métaux concernent tout domaine d'ingénierie mettant en jeu des métaux en contact avec de l'oxygène à forte concentration et/ou sous pression (industrie aéronautique et spatiale, secteur médical, industrie gazière etc.) Il existe depuis les années 70 un test standard pour l'évaluation de la compatibilité à l'oxygène des matériaux métalliques. Ce test standard consiste à allumer un barreau cylindrique de métal sous oxygène afin de déterminer la pression ou concentration seuil d'oxygène menant à la destruction totale de l'échantillon et la vitesse de propagation de la combustion qui s'ensuit. Ce test présente plusieurs inconvénients : la phase d'initiation est généralement mal étudiée, soit parce que son étude est rendue impossible par la technique d'allumage utilisée (amorce pyrotechnique), soit parce qu'il a été obtenu dans une configuration correspondant assez peu aux conditions réelles des accidents (chauffage en volume). Par ailleurs, très peu d'attention a été donnée jusqu'à présent à l'influence d'écoulements d'oxygène à la surface de l'échantillon sur la propagation de la combustion. Cette thèse propose une approche originale d'étude de la combustion du fer et des aciers au carbone et inoxydable sous atmosphère d'oxygène, afin de comprendre et de définir les conditions d'initiation et de propagation de la combustion de pièces métalliques en utilisant un laser focalisé comme source d'initiation. À cette fin, les mécanismes successifs de l'initiation par laser de la combustion puis sa propagation ont été étudiés. Le travail de cette thèse s'articule en deux parties. Dans la première partie, une étude expérimentale de l'influence des paramètres d'initiation de la combustion par laser, des conditions de soufflage d'oxygène, et de pression statique sur l'initiation et la propagation a été réalisée dans une configuration expérimentale originale (propagation de haut en bas), grâce à la mise en oeuvre de divers outils d'instrumentation : visualisation par caméra rapide, pyrométrie optique, thermocouples, analyses métallographiques. Une attention particulière a été donnée à la notion de seuil en énergie (laser) menant à l'initiation de la combustion, à la propagation ou à la destruction totale de l'échantillon, qui ont été déterminés dans différentes conditions de soufflage. Sur la base des données expérimentales précédemment obtenues, la deuxième partie de ce travail de thèse a consisté en la mise au point de simulations numériques (sous le logiciel commercial COMSOL Multiphysics) de ces expériences (limitée au démarrage de la combustion). Des paramètres inconnus liés à la réaction ont été ajustés afin de reproduire au mieux l'évolution des divers phénomènes observés (les champs thermiques, la dynamique d'inflammation, le comportement du bain liquide, la déformation géométrique etc.). L'ensemble de ce travail a permis de formuler une phénoménologie de l'initiation et de la propagation de la combustion par laser ainsi qu'une interprétation physique de celle-ci.

La prédiction des microstructures représente un enjeu majeur pour l'étude des processus de vieillissement des alliages métalliques, en particulier sous irradiation. Les résultats des calculs ab initio de structure électronique peuvent être utilisés pour paramétrer les méthodes cinétiques de Monte Carlo Atomique et permettent ainsi de simuler quantitativement la diffusion des atomes et l'évolution de la microstructure qui en résulte. Cette méthode est cependant limitée par le temps de calcul qu'elle exige. Les simulations mésoscopiques évitent cet écueil, mais souffrent généralement de ne pouvoir être paramétrées sur les résultats obtenus aux échelles inférieures, limitant ainsi leur pouvoir de prédiction. Dans ce travail, une méthode de simulation appelée Monte Carlo cellulaire cinétique a été développée pour relier les échelles atomiques et mésoscopiques tout en conservant la nature discrète des atomes. Une procédure de paramétrisation basée sur les simulations Monte Carlo à l'échelle atomique a été établie. Elle permet de reproduire quantitativement les propriétés macroscopiques d'équilibre des alliages indépendamment de la taille des cellules utilisées. Une application à l'alliage fer-cuivre est présentée. Afin de décrire les propriétés cinétiques à ces échelles, un outil générique de calcul de la matrice d'Onsager dans les alliages a été mis en place. Il est fondé sur la theorie du Champ Moyen Auto-Cohérent. Les résultats obtenus sur des cinétiques de diffusion et de précipitation dans un alliage modèle sont présentés et validés par une comparaison systématique avec des simulations Monte Carlo à l'échelle atomique.

Dans le domaine spatial, la contamination moléculaire est un problème important pouvant affecter considérablement la performance des instruments embarqués. Selon l'environnement thermique, certaines molécules polluantes provenant du dégazage sous vide des matériaux constitutifs des satellites viennent en effet se déposer sur les surfaces sensibles tels que les optiques et les différents détecteurs. Grâce à leur structure microporeuse organisée qui leurs confèrent de remarquables capacités d'adsorption, les zéolithes sont des solides de choix pour minimiser les risques de pollution. Les films zéolithiques offrent plus précisément l'avantage d'être directement intégrés dans la structure interne des satellites, sont légers et non pulvérulents. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse est d'étudier la synthèse de films zéolithiques sur deux types d'alliages d'aluminium, matériaux largement utilisés dans l'industrie spatiale pour leur résistance mécanique élevée. Face aux milieux de synthèse corrosifs de certaines zéolithes, la sensibilité des substrats en aluminium a été minimisée grâce à la formation d'un film microporeux de type MFI, tandis que la couche zéolithique aux propriétés d'adsorption recherchées de type FAU, EMT ou *BEA a été synthétisée à sa surface. Cette étude propose donc l'élaboration de films hybrides contenant deux couches de zéolithes de type structural différent. Divers caractéristiques telles que la cristallinité, l'homogénéité, l'épaisseur des films et l'adhésion des différentes couches entre elles et au support ont été particulièrement étudiés. Après calcination, les films zéolithiques hybrides présentent une porosité disponible et des capacités d'adsorption de molécules organiques équivalentes à celles d'une poudre. De plus, en optimisant le traitement thermique final, les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium de départ ont pu être conservées.

Le procédé de soyage qui consiste à réaliser un relevage du bord dans un trou préalablement poinçonné ou percé a été étudié sur deux tôles en aluminium A1050-H14 et A6061-O. Une caractérisation mécanique a été effectuée en utilisant des essais de traction et de cisaillement (monotone et cyclique). En bénéficiant des résultats de cette caractérisation, des modèles éléments finis 2D et 3D de soyage ont été développés en utilisant des critères de plasticité isotrope et anisotrope (Hill 1948). Ces modèles ont été améliorés par la technique de remaillage et la prise en compte de l'endommagement en utilisant un modèle non couplé puis un modèle couplé. Des outils de presse ont été également conçus, fabriqués et exploités pour mener des expérimentations destinées principalement à valider les résultats numériques.

De nombreuses applications nécessient l'utilisation de robots de petite taille pour la réalisation de tâches difficiles, dangereuses et inacessibles à l'homme que ce soit pour l'exploration et l'intervention en milieu technologique ou biologique fortement encombré et confiné (canalisations de faible diamètre) ou pour le prélèvement et la manipulation d'objets de faibles dimensions (domaine médical). Le passage de la robotique à la microrobotique par passage aux échelles inférieures de composants déjà existants a montré ses limites au niveau des technologies conventionnelles (elle ne permettent pas un degré de miniaturisation suffisant) ainsi qu'au niveau des principes d'actionnement traditionnels où les efforts moteurs deviennent très faibles. Ces limites imposent de développer des technologies et des principes d'actionnement capables de générer des mouvements et de transmettre des efforts compatibles avec les échelles mises en jeu. Pour répondre aux besoins de microactionnement, les matériaux piézo-électriques, magnétostrictifs ou les polymères et les alliages à mémoire de forme, qualifiés de "matériaux actifs", semblent prometteurs en raison des caractéristiques compatibles avec les forces, les mouvements requis et les possibilités de miniaturisation. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux alliages à mémoire de forme, notés AMF, lesquels, sous certaines conditions thermomécaniques, peuvent transformer une énergie thermique qui lui est fournie en un travail mécanique. Il peuvent ainsi restituer des déformations de l'ordre de 6 à 8 % et générer des efforts relativement importants lorsqu'ils sont chauffés.<br />Ainsi, dans le but de concevoir, dimensionner et commander au mieux de leurs performances de tels microactionneurs, il est tout d'abord nécessaire de disposer d'un certain nombre de connaissances et dedonnées sur ces matériaux. Ceci constitue l'objectif de notre travail de recherche qui s'articule en deux grandes parties. L'objectif de la première partie est l'obtention d'un modèle dynamique prédictif du comportement thermomécanique des AMF. Ce modèle est basé sur l'approche développée par Leclercq et Lexcellent. pour valider ce modèle, des essais thermomécaniques appropriés ont été menés en vue de l'identification des paramètres "matériau" et des simulations ont été effectuées, dont les résultats sont confrontés aux résultats expérimentaux correspondants. La seconde partie est consacrée à l'étude des actionneurs AMF. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux caractéristiques de ces microactionneurs en terme de course disponible, de densité d'énergie, de rendement et de bande passante. Dans un second temps, pour aborder les problèmes de la commande de position et d'effort des actionneurs AFM, nous exploitons des techniques de commande non linéaire, utilisant en particulier l'algèbre de Lie. A partir d'une représentation d'état non linéaire du système, il est possible par une transformation algébrique agissant sur les états de transformer le comportement dynamique d'un système non linéaire en un comportement dynamique partiellement ou totalement linéaire et ainsi maîtriser les performances en boucle fermée du système.

Introduction<br /><br />Un diagramme d'équilibres de phases est la représentation la plus synthétique du comportement d'un système d'alliages en fonction de la concentration et de la température. La construction de tels diagrammes est donc très importante, tant pour les chercheurs que pour les industriels. Ce travail avait pour but de clarifier les relations de phases dans quelques alliages impliqués dans le processus de remplacement des brasures étain plomb utilisées en particulier dans l'électronique.<br />L'étude a été menée aussi bien expérimentalement que par optimisation numérique.<br /><br />Du point de vue expérimental, , la calorimétrie à moyennes (calorimètre Calvet Sétaram) et hautes températures (calorimètre Gachon) a été utilisée pour déterminer des enthalpies de formation de composés, des enthalpies de mélange, de dissolution ou encore des enthalpies partielles. Les transformations allotropiques ont été détectées et caractérisées thermiquement par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Des techniques complémentaires : diffraction des rayons X, analyse à la microsonde électronique de Castaing et microscope électronique à balayage ont permis de vérifier l'état structural et la composition chimique des produits formés.<br /><br />L'optimisation numérique a fait appel à la méthode « CALPHAD » et au logiciel « Thermocalc ». Le but est de réaliser, à partir d'une description numérique des enthalpies libres de formation de l'ensemble des phases impliquées, une modélisation du diagramme d'équilibres de phases afin de vérifier la cohérence de toutes les données collectées, d'interpoler suivant des modèles physiquement plausibles entre les zones étudiées et ainsi de fournir la « meilleure » approximation du diagramme réel, tout en limitant le travail expérimental. Ce dernier point est particulièrement important dans les ternaires et les systèmes à plus de trois composants.<br /><br />Chapitre 1<br /><br />Le premier chapitre traite des techniques expérimentales et numériques. les calorimètres Calvet, Gachon et différentiel à balayage, leurs emplois et les divers types de manipulations réalisés sont décrits. La méthode Calphad est présentée. Aucune des techniques présentées n'est originale, mais elles sont toutes éprouvées et leur juxtaposition mène à des résultats nombreux et fiables.<br /><br />Chapitre 2<br /><br />Le second chapitre décrit le travail expérimental qui a été réalisé sur les binaires Co-Sn, Ni-Sn (Bi-Sn étant suffisamment connu) et sur le ternaire Bi-Ni-Sn.<br /><br /><br />Co-Sn<br /><br />Une étude bibliographique préalable a montré que si les grandes lignes du systèmes étaient claires, il restait des interrogations qu'il convenait de lever. Tous les domaines de phases n'étaient pas totalement déterminés et le nombre de composés intermédiaires pas encore certain. Des expériences de calorimétrie de dissolution de Co dans Sn liquide, à 991 et 1020 K et de mesure, par calorimétrie de réaction directe, des enthalpies de formation des composés solides à 1287, 1033, 629 et 605 K respectivement ont fourni des données originales. Les transitions allotropiques du Co pur et de Co3Sn2 ont fait l'objet d'une caractérisation par DSC afin de vérifier et compléter les résultats existants. Finalement, l'optimisation numérique a été réalisée, à l'aide du logiciel Thermocalc et le nouveau diagramme de phases tracé. Il prend en compte l'ensemble des composés intermédiaires et des transformations allotropiques.<br /><br />Ni Sn<br /><br />La même procédure de travail a été suivie. Les expériences de calorimétrie de réaction directe à 728, 846, 943, 1332 et 1389 K ont fourni les enthalpies de formation de Ni3Sn2, Ni3Sn et Ni3Sn4. La DSC a permis de déterminer l'enthalpie de transition allotropique de Ni3Sn2.<br /><br />Bi-Ni-Sn<br /><br />Là encore, une étude bibliographique a précédé le travail expérimental. Par rapport aux systèmes binaires, les ternaires sont, très généralement beaucoup plus mal connus, autant en fonction de la composition que de la température. Avant de commencer les expériences de calorimétrie, il s'est révélé nécessaire d'entreprendre une exploration du domaine ternaire à 733, 773, 903 et 1273 K. La DSC a ensuite précisé les points tels qu' invariants et liquidus. Un composé ternaire non encore signalé, Ni7Sn2Bi, a été découvert, ainsi qu'un eutectique ternaire entre Bi, Sn et Ni3Sn4. Les phases solides et le liquide ont été soumis à la calorimétrie afin d'obtenir le matériel nécessaire à une future modélisation du ternaire.<br /><br />Conclusion<br /><br />L'étude présentée s'inscrit dans l'effort de recherche européen qui fait suite à la décision de supprimer ou tout au moins limiter au plus juste la présence de plomb dans les alliages de brasure (programme COST 531). Dans ce cadre, les alliages à bas points de fusion à base d'étain et de bismuth sont intéressants et leurs interactions avec les matériaux rencontrés dans la fabrication des circuits électroniques, tels le nickel et le cobalt, doivent être étudiées. La base de telles études est l'établissement des diagrammes d'équilibres de phases. Les systèmes binaires ne sont pas encore parfaitement connus et ce travail a répondu à quelques questions qui se posaient encore dans Co-Sn et Ni-Sn. Les ternaires, eux, du fait de la largeur du spectre de variation possible des variables de composition, sont à peu près totalement ignorés et la contribution apportée ici permet d'éclairer par des résultats bien établis, le comportement de Bi-Ni-Sn. La connaissance de ce système n'est pas encore parfaite, mais ce qui est apporté est une première base particulièrement solide, dans la mesure où trois coupes isothermes ont été établies dans un système auparavant totalement inconnu et des données enthalpiques mesurées.