De nombreux secteurs industriels investissent dans la simulation numérique afin de diminuer les coûts de production, de raccourcir les durées de conception et d'industrialisation des produits et d'augmenter la robustesse des procédés de fabrication. Cet objectif pose des défis importants à la communauté mécanicienne dans la mesure où il s'agit de concevoir des modèles numériques fiables et performants, capables de reproduire le comportement mécanique des matériaux. Les études entreprises, s'inscrivent dans cette démarche et concilient analyse expérimentale et modélisation numérique. Dans un premier temps, sur la base d'une logique classique suivant le triptyque : (i) essais mettant en oeuvre la technique de corrélation d'images, (ii) modélisation adaptée et (iii) utilisation des modèles et de leurs paramètres associés, il est montré comment les résultats des simulations numériques s'accordent avec l'expérience. Deux exemples sont plus particulièrement détaillés, l'un relevant du secteur biomédical, l'autre de l'industrie du packaging. Au-delà de cette logique, une approche de type recalage de modèles éléments finis à partir de mesures de champs cinématiques et thermiques est présentée dans un deuxième temps. Cette méthode d'identification inverse est mise en oeuvre sur des essais générant des champs de déformations hétérogènes, pour certains hors-plans, toujours à des fins d'identification du comportement thermomécanique du titane. Les résultats obtenus mettent en évidence l'intérêt de cette technique de pouvoir identifier un nombre plus élevé de paramètres que dans les études abordées précédemment basées sur des essais homogènes classiques.

Cette thèse est une étude expérimentale du comportement thermo-mécanique superélastique d'un fil nanocristallin Ti-50.9Ni at.% Ni en alliage à mémoire de forme (SMA) (diamètre 0.5 mm), après subir un cold work (CW). Les AMF sont capables d'induire des changements de température importants lorsqu'ils sont chargés mécaniquement. Ce phénomène est dû à un important couplage thermomécanique présent dans cette transformation de phase solide entre les phases Austénite (A) et Martensite (M).La chaleur latente par unité de masse (ΔH) tout au long de la transformation de phase est l'énergie responsable de cette variation de température. La détermination de ΔH est généralement effectuée par calorimétrie à balayage différentiel (DSC). Cependant, pour les SMA nanocristallins, les résultats DSC obtenus ne sont pas concluants sur la détermination de cette propriété.Dans ce travail, une méthode utilisant la corrélation d'image numérique (DIC) et les mesures de champ thermique (TFM) a été utilisée pour analyser les couplages thermomécaniques lors d'une transformation de phase induite par contrainte. Des champs cinématiques et thermiques ont été acquis lors d'essais de traction superélastiques réalisés sur des fils CW NiTi soumis à différentes températures de traitements thermiques (TTT) allant de 523 à 598 K pendant 30 min. Un tel traitement thermique à basse température favorise une boucle totalement superélastique sans plateau de contrainte et sans déformation de type Lüders. En supposant un modèle thermique uniforme, les sources de chaleur impliquées lors du chargement cyclique ont été estimées. Cette puissance thermique par unité de masse a été comparée à la puissance mécanique et intégrée au fil du temps pour obtenir l'équilibre énergétique. De plus, grâce à une analyse thermodynamique basée sur l'énergie libre de Gibbs, les valeurs de ΔH, ainsi que la fraction de martensite, ont été estimées au cours des transformations de phase A-M directe et inverse M-A. L'analyse des résultats a conduit aux conclusions suivantes: (1) Les puissances et énergies thermiques et mécaniques présentaient une dépendance significative vis-à-vis du TTT. (2) Malgré l'effet important des valeurs du TTT sur les réponses mécaniques et thermiques, les ΔH obtenues étaient très proches pour tous les TTT et dans la même gamme de valeurs fondée dans la littérature pour un alliage Ti-50.9Ni at.% Ni entièrement recuit testé par technique DSC. (3) Pour une deformation donnée, la fraction de martensite augmente avec l'augmentation de TTT. (4) Pour une contrainte imposée de 4,5%, la fraction de martensite augmente de 30% à 40% en augmentant le TTT de 523K à 598K. / This PhD thesis is an experimental study of the thermomechanical superelastic behaviour of a Ti-50.9Ni at.% Ni Shape Memory Alloy (SMA) nanocrystalline thin wire (diameter 0.5 mm), in a Cold Worked (CW) state. SMAs are capable of inducing important temperature change when they are mechanically loaded. This phenomenon is due to an important thermomechanical coupling present in this solid phase transformation between Austenite (A) and Martensite (M) phases. The latent heat per unit of mass (∆H) throughout the phase transformation is the energy responsible of this temperature variation. The determination of ∆H is generally performed by differential scanning calorimetry (DSC). However, for nanocrystalline SMAs, the obtained DSC results are non conclusive on the determination of this property.In this work, a method using digital image correlation (DIC) and thermal field measurements (TFM) was used to analyse the thermomechanical couplings during a stress induced phase transformation (SIPT). Kinematics and thermal full fields were acquired during superelastic tensile tests performed on the CW NiTi wire submitted to different heat treatments temperatures (HTT) ranging from 523 to 598 K during 30 min. Such a heat treatment at low temperature promoted a fully superelastic loop without stress plateau and no Lüders-like deformation. Assuming a uniform thermal model, the heat sources involved during the cyclic loading were estimated. This thermal power per unit of mass was compared to the mechanical one and integrated over the time to get energy balance. Further, through a thermodynamic analysis based on the Gibbs free energy, the values of ∆H, as well as the martensite fraction, were estimated during the forward A-M and reverse M-A phase transformations. The analysis of the results led to the following conclusions: (1) Thermal and mechanical powers and energies presented a significant dependence on the HTT. (2) Despite the strong effect of the values of the HTT on mechanical and thermal responses, the obtained ∆H were very close for all HTT and in the same range of values founded in the literature for a fully annealed Ti-50.9Ni at.% Ni alloy tested via DSC technique. (3) For a given strain, martensite fraction increases with increasing HTT. (4) For an imposed strain of 4.5%, the martensite fraction increases from 30% to 40% when increasing HTT from 523K to 598K.

Ce travail s'inscrit dans une stratégie d'investigation expérimentale et numérique des mécanismes d'enlèvement de la matière lors de l'usinage de l'alliage de titane Ti-6Al-4V. Il aborde un problème complexe, fortement couplé, faisant intervenir la thermique et la mécanique aux petites échelles (micrométrique). Le manque de moyens de mesure dédié à ces échelles de temps et de l'espace (phénomènes rapides et très locaux) ne permet pas, à ce jour, d'appréhender précisément les phénomènes thermomécaniques mis en jeu pendant la formation de copeau. De ce fait, un dispositif spécifique, appelé VISIR, répondant à cette problématique a été mis en place. La partie expérimentale s'est donc orientée vers une compréhension plus fine des mécanismes d'enlèvement de la matière. Elle a notamment permis de mettre en évidence l'évolution de grandeurs mécaniques et thermiques durant la formation des festons mais surtout le couplage entre la température et la vitesse de déformation. Basée sur les constatations expérimentales, une étude du comportement thermomécanique de cet alliage a été mis en place. Des essais en cisaillement dynamique à travers des éprouvettes chapeau ont permis d'identifier par méthode inverse une nouvelle loi de comportement couplée en température et en vitesse de déformation. De plus, une étude de l'endommagement s'est appuyée sur l'identification et l'évaluation de huit critères communément utilisés dans le domaine de mise en forme a permis de proposer une nouvelle loi, inspirée du critère de Tresca, couplée au comportement. L'intégralité de ces formulations couplée à un modèle de frottement Stick-Slip ont enfin été implémentés dans un modèle EF 3D. La confrontation expérimentale/numérique en termes de grandeurs mécaniques et thermiques a révélé la robustesse et l'aspect prédictif du modèle EF développé. Enfin, les résultats de cette étude ont permis de développer une discussion détaillée sur les mécanismes d'enlèvement de la matière et plus particulièrement les complexes trajet des fissurations. / This work develops an experimental and numerical strategy in order to investigate material removal of titanium alloy Ti-6Al-4V during machining process. It therefore intends to tackle a complex and strongly coupled problem, involving thermal and mechanical aspects at small scales (micrometric). The lack of measuring means dedicated to such scales in terms of time and space (rapid and strongly local phenomena) does not allow yet to precisely apprehend the thermomechanical phenomena involved during the chip formation. As a result, a specific device, called VISIR, that addresses this issue has been set-up. The experimental aspect of this work has therefore been oriented towards a more precise understanding of the material removal mechanisms. It allowed to observe the evolution of mechanical and thermal quantities during the chip formation and more precisely the strong coupling between the temperature and the strain rate. Based on these experimental insights, the thermomechanical behavior of this alloy has been studied through dynamic shear tests using hat-shaped specimens. It allowed to identify through inverse method a new constitutive equation coupled in temperature and strain rate. In addition, a study on damage is conducted. It is based on the identification and the evaluation of eight criteria commonly used in the material forming process. This leads to proposing a new damage equation, inspired from the Tresca criterion and coupled to material plastic behavior. All of these formulations along with a Stick-Slip friction model have finally been implemented in a 3D FE orthogonal cutting model. Experimental/numerical comparison in terms of mechanical and thermal quantities revealed the robustness and predictive aspect of the developed FE model. Finally, the results of this study allowed to develop a detailed discussion on the material removal mechanisms and more particularly the complexe cracks paths.