L’objectif principal de la thèse est d’analyser les mécanismes de plasticité et d’endommagement d’une nouvelle famille de composites à matrice acier Fe-TiB₂ afin de comprendre les liens microstructure/propriétés mécaniques et appliquer des modèles de comportement prenant en compte différents paramètres de la microstructure, et d’intérêt pour la mise en forme. L’étude porte sur des nuances de composites à teneur en particules fixée et différant par la taille de grain de la matrice. La caractérisation expérimentale des microstructures et textures initiales par MEB/EBSD et DRX a permis d’analyser qualitativement et quantitativement les différents paramètres morphologiques des renforts et de la matrice. L’effet de taille de grain de la matrice et des renforts sur l’écrouissage des ces composites a été étudié par essais de cisaillement simple monotone et inversés qui ont également permis de déterminer la part relative d’écrouissage cinématique des différents matériaux. L’application des résultats à une modélisation phénoménologique de l’écrouissage a permis de décrire le backstress des composites à partir de celui de la ferrite. L’analyse de l’évolution microstructurale avec la déformation de cisaillement, ainsi que des essais de flexion in situ, ont identifié la rupture des particules comme mode d’endommagement prépondérant des composites Fe-TiB₂. L’endommagement dépend de la taille de grain de la matrice, de d’endommagement des matériaux hétérogènes a permis d’estimer les contraintes de rupture des particules sur la base des résultats expérimentaux disponibles. / The aim of this work was the plasticity and damage mechanisms analysis of a new steel matrix composites Fe- TiB₂ family to establish the microstructure / mechanical properties relationships then interesting for metal forming simulations in respect with various microstructural parameters. The study was focused on composites with different matrix grain size and a given particle population. The experimental characterization of initial microstructures and textures with SEM/EBSD and XRD permitted the qualitative and quantitative analysis of different morphological parameters of reinforcements and the ferritic matrix. The effect of matrix grain size and reinforcements on the composites hardening is studied based on monotonous and reverse simple shear tests which leads to determine the relative contribution of kinematic hardening. The application of a phenomenological modeling based on these results, has successfully describe the composite backstress evolution. Analysis of the microstructural evolution with shear deformation and with four points bending situ tests has shown a sensitivity of Fe-TiB₂ damage to the matrix grain size, the particles size and to the strain-path change. A damage model of heterogeneous material has been then considered and provides the particles failure stress of on the basis of the available experimental results.

Le comportement d'hydrogels polyélectrolytiques gonflés de solutions de polymère linéaires soumis à une contrainte mécanique (cisaillement, compression) est étudié avec des outils rhéo-optiques afin d'obtenir une meilleure compréhension du comportement de gel et d'ouvrir la voie vers des applications dans des formulations cosmétiques. L'étude en cisaillement a été effectuée avec des particules de gel isolées suspendues dans une matrice d'huile silicone. Différents régimes ont été identifiés: a faible contrainte, la particule se déforme, mais moins qu'une goutte de son solvant. Au-delà d'un premier seuil de contrainte, nous observons le relargage de bouts de solvant dans la direction de l'écoulement. Ces bouts restent attachés à la particule. Le solvant est libéré et dispersé dans la matrice au-delà d'une deuxième contrainte seuil. Relargage et éjection ont également été observés dans la direction de la vorticité. Des volumes importants de solvant peuvent être libérés. Les effets de la taille de la particule, du degré de gonflement, de la concentration de la solution de polymère et de la tension interfaciale ont été étudiés. L'étude en compression a été réalisée avec des disques de gels gonflés à l'équilibre d'eau ou d'une solution de polymère et entourés d'air. Le gel se déforme et relargue partiellement son solvant dès qu'il est soumis à une contrainte. L'analyse thermodynamique d'un tel système prédit que ce relargage est plus important pour des gels chargés que pour des gels neutres.

L’engouement pour le collage structural est important dans l’aéronautique. Actuellement, il n’existe pas de méthode de contrôle non destructive de l’adhésion dans un assemblage collé. Les méthodes de CND usuelles peuvent détecter au mieux des défauts majeurs de type décollement ou absence de colle. L’objectif de la thèse est donc de déterminer un indicateur ultrasonore en lien avec le niveau d’adhésion et la tenue structurale des assemblages collés.La première étape a consisté en l’élaboration d’éprouvettes étalons à adhésions variables de forme cisaillement simple. Trois traitements de surface différents ont été définis afin d’obtenir trois niveaux de force à rupture et donc trois niveaux d’adhésion distincts. Des cartographies détaillées du joint de colle sont obtenues par ultrasons. A l’issue des essais mécaniques les faciès de rupture sont analysés. Des contrôles supplémentaires par micro-tomographie X ont été réalisés. L’ensemble de ces essais ont permis de valider l’obtention d’éprouvettes homogènes et de niveaux d’adhésion maîtrisé. Un système expérimental spécifique a été réalisé pour développer des mesures d’acoustoélasticité qui permettent l’étude des variations locales de champ des contraintes. Pendant une sollicitation mécanique de type cisaillement simple, les variations de temps de vol dans l’aluminium en mode pulse-écho des éprouvettes sont analysées. Le dispositif est d’abord validé sur une éprouvette d’aluminium. Puis, il est démontré que sur une éprouvette de cisaillement simple, les bords d’un défaut, lieu de concentration de contraintes, sont visibles. Les simulations numériques réalisées donnent les mêmes tendances / The enthusiasm for structural bonding is important in aeronautic. Currently there is no method to test non-destructively the adhesion in a bonded assembly. The usual NDT methods can detect the most common defects like delamination or disbond. The aim of this thesis is to determine an ultrasonic indicator related to the level of adhesion and the structural strength of bonded assemblies.The first step was the development of calibrated samples. The specimens are single lap shear joints. Three different surface treatments have been developed to obtain three different levels of ultimate tensile strength and therefore three distinct levels of adhesion. Detailed cartographies of the adhesive joint are obtained by ultrasound. After mechanical testing the fracture surfaces are analyzed. Additional tests by microtomography were performed. They were used to validate the quality of samples. The objective of standards sample is achieved. A specific control system has been achieved to use acoustoelasticty to study the stress field in the bonded assembly. The variations of time of flight in the aluminum part in pulse-echo mode during mechanical test are analysed. First, the method is validated with an aluminum test piece. Then, it is shown, for a sample with defect, the edges of a defect are visible through the increase of stresses on its borders. Numerical simulations give the same trends.

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation et à l'étude numérique de la texture et du comportement mécanique des matériaux granulaires à grande polydispersité. La polydispersité est considérée en termes d'étalement et de courbure de la distribution de tailles. Afin d'aboutir à des distributions de tailles représentatives, une méthode de génération ainsi qu'un modèle de courbe granulométrique sont présentés. La mise en place de grands échantillons denses par une méthode géométrique a permis de réaliser une étude systématique de l'influence de la polydispersité sur la texture. Le comportement mécanique est étudié par simulations numériques discrètes sur la base de la méthode de Dynamique des Contacts. Les échantillons sont successivement soumis à une relaxation uniaxiale et à un cisaillement simple avec des conditions aux limites périodiques afin d'atteindre respectivement l'état d'équilibre statique et l'état stationnaire après un cisaillement long. Nos résultats montrent que la distribution uniforme par fraction volumique conduit à la compacité la plus élevée. Dans l'état stationnaire, la résistance au cisaillement est indépendante de la polydispersité. Une analyse systématique de la texture permet de montrer que cette propriété résulte, d'une part, de la compensation mutuelle entre les anisotropies des directions de contact et des longueurs des vecteurs branches et, d'autre part, du fait que les forces fortes sont essentiellement transmise à travers les plus grosses particules. Enfin, en présence de forces d'adhésion, la cohésion de Coulomb augmente avec l'étalement granulométrique.

La thèse vise à étudier le comportement mécanique des sables sous la condition de cisaillement simple et à son application au calcul des pieux. Tout d'abord, un modèle de sable récemment développé (SIMSAND) prenant en compte l'état critique est introduit avec une procédure directe de détermination des paramètres. Le modèle est implanté dans un code de calcul aux éléments finis qui a fait l’objet de différentes validations. Ensuite, le modèle est amélioré en considérant l'anisotropie inhérente lors de la rotation des contraintes principales sous la condition de cisaillement simple et a été validé en utilisant les résultats des essais tri axiaux et de cisaillement simple sur le sable de Fontainebleau. Les essais de cisaillement simple sont analysés en imposant les conditions de sollicitations réelles tridimensionnelles appliquées par l’appareillage utilisé. L'inhomogénéité de l'échantillon avec l'effet de la taille de l'échantillon est également étudiée. Puis, des essais de cisaillement simple cycliques drainés et non-drainés sur le sable de Fontainebleau sont effectués pour étudier les caractéristiques sous charges cycliques, telles que la dégradation de la contrainte normale effective et l'accumulation de la déformation volumique, compte tenus de certains facteurs comme l’indice des vide initial, la contrainte normale appliquée, le rapport de contrainte de cisaillement cyclique et le rapport de contrainte de cisaillement moyenne. Sur la base de ces résultats, deux modèles analytiques sont proposés pour prédire la dégradation à long terme de la contrainte normale effective et l'accumulation des déformations volumiques en fonction du nombre de cycles. En outre, les essais cycliques de cisaillement simple sont simulés par le modèle SIMSAND amélioré en utilisant une technique d'inversion de contrainte. Enfin, on simule une série de pieux modèles sous charges monotone et cyclique pour laquelle la résistance en pointe du pieu est évaluée ainsi que la réponse du sol entourant le pieu. / The thesis aims to study the mechanical behaviour of sand under simple shear condition and to apply the results to the numerical simulation of pile foundation. First, a recently developed critical state sand model (SIMSAND) is introduced with a straight forward procedure of parameters determination, implemented into a finite element code and then subjected to a series of validations. Then, the model is enhanced by considering the inherent anisotropy during the principal stress rotation under the simple shear condition and validated by using results of both triaxial tests and simple shear tests on Fontainebleau sand. Simple shear tests are analysed by simulating in three-dimensions the real conditions imposed by the simple shear apparatus. The inhomogeneity of the samples with the effect of sample size is also investigated. Furthermore, undrained and drained cyclic simple shear tests on Fontainebleau sand are conducted to investigate the cyclic responses, such as the effective normal stress degradation and the volumetric strain accumulation, respectively, considering some impact factors such as the initial void ratio, the normal stress, the cyclic shear stress ratio and the average shear stress ratio. Based on these results, two analytical models are proposed to predict the long-term degradation of the effective normal stress and the accumulation of the volumetric strain with the number of cycles. Moreover, the cyclic simple shear tests are simulated by the enhanced SIMSAND model by incorporating the stress reversal technique. Finally, a series of model pile tests under monotonic and cyclic loadings are simulated based on which the cone resistance of the piles is evaluated as well as the response of the soil surrounding the pile.

La déformation et le comportement dynamique d'une vésicule sous l'action d'un écoulement externe appliqué (cisaillement simple et Poiseuille) est étudié dans la limite de faibles nombres de Reynolds. Les cas de géométries non-confinée et confinée sont considérés. On fait usage de plusieurs méthodes: (i) un calcul analytique tridimensionnelle (théorie de faible déformation) (ii) des simulations bidimensionelle (méthodes de Boltzmann sur réseau et intégrale de frontière) dans le but de résoudre les équations hydrodynamiques correspondantes et de suivre explicitement la dynamique de la vésicule. La théorie analytique de faible déformation est utilisée pour construire le diagramme de phase résumant tous les régimes dynamiques connus pour une vésicule (chenille de char, bascule et vacillation-respiration) sous un écoulement de cisaillement. L'impacte de la variation des paramètres, contrôlant la dynamique, sur l'évolution de différentes quantités caractérisant chaque régime dynamique d'une vésicule est présenté. On utilise également la méthode de Boltzmann sur réseau afin de simuler la dynamique d'une vésicule dans une géométrie confinée (e.g. un micro-canal). Comme cas test, les formes d'équilibre d'une vésicule et son mouvement de chenille de char sous cisaillement ont été analysés. L'effet du confinement sur la dynamique de la vésicule a été examiné. La migration latérale d'une vésicule placée dans un écoulement de Poiseuille non-confiné et semi-confiné est traité en utilisant des simulations basées sur la méthode d'intégrale de frontière. Pour le cas de la géométrie non-confinée, on a trouvé que le caractère non linéaire de l'écoulement de Poiseuille combiné à la déformabilité de la vésicule, induit une migration latérale des vésicules vers le centre de l'écoulement. La présence d'une paroi délimitant le fluide externe induit également une force de portance. On a analysé la compétition entre la force de portance due à la paroi et celle du la courbure de l'écoulement de Poiseuille. Une loi donnant la vitesse de migration latérale (en fonction des paramètres caractérisant la vésicule et l'écoulement) est proposée et est en accord avec les résultats expérimentaux .

L'analyse d'images consiste à extraire de manière quantitative une part de l'information que contient une image. Cette méthode d'analyse est utilisée ici pour des problèmes bien différents : fracturation, forme des grains dans une roche et orientation cristallographique du quartz. Le premier exemple traité concerne l'étude des fractures relevées sur le site du barrage de Vinça (Pyrénées Orientales). L'interprétation structurale associe la fracturation du massif à un grand accident connu sous le nom de faille de Catalogne. Le second exemple porte sur la forme des grains de calcite dans un marbre de Carrare. L'analyse des images permet de mettre en évidence, par l'étude de l'orientation des joints,une faible anisotropie de forme des grains de la roche, expliquant ainsi l'anisotropie de déformation observée en chauffant le marbre. Dans le troisième exemple, l'étude de l'orientation cristallographique du quartz (par détermination de l'orientation de l'axe c par analyse d'images) dans les quartzites du massif de Dora Maira montre que la déformation correspond à, un cisaillement simple avec déplacement des zones hautes vers l'Ouest.

Le développement de matériaux conventionnels met l'accent sur l’affinement etl'homogénéisation des tailles de grains. Cela, ne satisfait généralement pas le besoin d’avoir desmatériaux à la fois résistants et ductiles, deux caractéristiques plutôt antagonistes. Dans laprésente étude, le concept de structure harmonique (HS) permettant de créer une microstructure,hétérogène, à gradient de taille des grains est utilisé pour surmonter cette antinomie. Lesmatériaux HS sont constitués de structures à grains ultrafins et à gros grains, appelées «coquille»et «coeur», respectivement. Le réseau de coquilles étant interconnecté en 3D. Dans cette étude, leTi pur, et les deux alliages Ti-6Al-4V et Ti-25Nb-25Zr sont traités de manière à produire desmatériaux HS. Leurs propriétés mécaniques, ainsi que celles des matériaux homogènes(conventionnels) correspondants ont été évaluées principalement en cisaillement simple(monotone et cyclique). En particulier, les matériaux HS démontrent comme attendu, une forterésistance mécanique, sans perte ductilité. Pour accéder aux mécanismes de durcissement, unmodèle de partition des contraintes est appliqué et les différentes contributions à la contraintemacroscopique ont été extraites et leur influence sur l'évolution du durcissement est présentée etdiscutée, en relation avec les mécanismes de déformation sous-jacents. En particulier, ladélocalisation de la déformation plastique due au gradient de microstructure et la périodicité decette dernière joue un rôle fondamental dans les comportements observés. / Conventional material developments have emphasized ultrafine grain refinement andhomogenization. However, nanostructured and homogeneous materials do not usually satisfy theneed to be both strong and ductile, which are, of course, rather contradictory characteristics. Inthe framework of this study, the concept of Harmonic Structure Materials Design (HS) thatcreates a nanostructured and heterogeneous microstructure has been used as a means to creatematerials to overcome that antinomy through its unique microstructure. The HS materials consistof ultra-fine grain and coarse grain structures known as shell and core, respectively. They have anetwork structure of continuously connected shells. In this study, pure Ti, Ti-6Al-4V and Ti-25Nb-25Zr alloys were processed so as to produce HS materials. The mechanical properties ofHS and homogeneous (conventional) counterpart materials were evaluated mainly throughsimple shear tests (monotonous and cyclic). In particular, the HS materials high strengths,without ductility lost under simple shear loadings. Stress partitioning model was applied and thedifferent contributions to the applied macroscopic stress were extracted and their influence onthe work hardening evolution presented and discussed, in relation to the underlying deformationmechanisms. In particular, the delocalization of plastic deformation due to the grain size gradientplays a fundamental role in the observed behavior.

La transition entre le comportement effusif et explosif des volcans de magma riche en silice est en partie contrôlée par la capacité des surpressions gazeuses à se dissiper hors du magma. La libération efficace des gaz est associée aux éruptions effusives tandis que la rétention de ces gaz contribue aux processus explosifs. L’une des approches pour évaluer la facilité d’échappement des gaz est de considérer l’évolution et le développement de la perméabilité dans la colonne magmatique et dans l'édifice. J'évalue dans ce travail de thèse le rôle des changements post-mise en place sur la microstructure dans des andésites basaltiques du Merapi (Indonésie). La perméabilité de ces roches est principalement contrôlée par des fissures liées à leur mise en place. Malgré l’influence importante de ces fissures post-mise en place pour dégazer à travers l'édifice, elles ne contribuent pas au dégazage intrinsique du magma en cours d’ascension. Pour s’affranchir de l'influence des microstructures post-mise en place du magma, j'étudie le développement et l'évolution in situ des réseaux perméables en déformant des magmas à deux phases (bulles de gaz et liquide silicaté) en cisaillement simple dans une presse Paterson selon des viscosités et des vitesses de déformation réalistes pour la partie haute des conduits des strato-volcans. Le développement de la perméabilité est confirmé in situ et se développe à des vitesses de déformation supérieures à 4,5 x 10⁻⁴ s⁻¹. À des vitesses de déformation élevées (> 5 x 10⁻⁴ s⁻¹) le magma est fragile et l’échappement du gaz est lente, facilitée par l'interconnexion de courtes fractures de Mode I. À des vitesses de déformation < 5 × 10⁻⁴ s⁻¹, le magma se comporte à la fois de manière fragile et visqueuse et la perméabilité se développe lorsque la déformation est importante; le gaz s’échappe rapidement par de longues fractures de Mode I bien développées. Les fractures de Mode I sont idéalement orientées pour le dégazage du conduit central et sont, surtout, soumises à peu de déformation jusqu'à ce qu'elles soient réorientées dans la direction de cisaillement. Ces caractéristiques de dégazage peuvent, à long terme, favoriser un dynamisme éruptif effussif. / The transition from effusive to explosive behaviour at silicic volcanoes is, in part, governed by how efficiently gas overpressures are dissipated from the volcanic plumbing. Efficient gas release is associated with effusive eruptions while inadequate outgassing contributes to explosive processes. One approach to assessing the facility of gas escape is by considering how permeability develops and evolves in the magma column and surrounding edifice. Here, I appraise the role of post-emplacement changes to microstructure in edifice-forming basaltic andesites from Merapi (Indonesia). The permeability of these rocks is dominantly crack-controlled and while these features exert important controls on gas escape through the edifice, they do not represent the escape pathways available to gas within ascending magma. To avoid the influence of postemplacement microstructure, I investigate the development and evolution of permeable networks in magmas by deforming initially impermeable two-phase magmas in simple shear. This is done in a Paterson apparatus at viscosities and shear strain rates appropriate to upper conduits in stratovolcanoes. Permeability development is confirmed in situ and develops at moderate to high shear strain rates (> 4.5 × 10⁻⁴ s⁻¹). At very high strain rates (> 5 × 10⁻⁴ s⁻¹) the magma behaves in a brittle manner and gas egress is slow, facilitated by the interconnection of short, Mode I fractures. At moderate shear strain rates (< 5 × 10⁻⁴ s⁻¹), the magma displays both brittle and viscous behaviour and permeability develops at high strain; gas escape is rapid owing to long, well-developed, sample-length Mode I fractures. Mode I fractures are ideally oriented for outgassing of the central conduit and, critically, accommodate little deformation until they are rotated into the direction of shear, making them long-lived outgassing features that may favour volcanic effusion.

Le Massif Armoricain est situé dans la syntaxe Ibéro-Armoricaine, à l'extrémité Ouest de la chaîne hercynienne d'Europe. Cette structure arquée se referme pendant toute l'histoire de la collision continentale jusqu'au cours du Carbonifère, et de grands décrochements se forment à travers ces domaines. Deux de ces grands décrochements, le Cisaillement Nord Armoricain et le Cisaillement Sud Armoricain, délimitent un domaine supra-crustal peu épaissi au cours de l'orogenèse hercynienne : la Bretagne Centrale. La partie orientale de ce domaine présente tous les caractères d'une zone de cisaillement simple dextre. L'étude présentée dans cette thèse aboutit à une modélisation nouvelle du cisaillement simple. La modélisation est basée sur une analyse géostatistique des données structurales compilées à travers toute la zone d'étude. Cette analyse permet en outre de filtrer les variations locales du champ de déformation par rapport à celles régionalement corrélées et de quantifier ainsi les paramètres cinématiques du cisaillement simple en Bretagne Centrale. La restauration de ce cisaillement régional conduit à réinterpréter les déformations subies aux limites du domaine et dans les zones adjacentes ; par exemple, le bassin Carbonifère de Châteaulin, jusqu'à présent interprété comme extensif s'avère être vraisemblablement transpressif. Le domaine situé au Sud de la Bretagne Centrale a aussi pu être restauré à l'aide de l'interprétation des structures d'échelle crustale imagées par les données géophysiques récemment acquises dans le cadre du projet de recherche Armor2-Géofrance3D (données sismiques, gravimétriques et magnétiques). On montre que dans cette zone, le cisaillement régional est largement accommodé par de grandes structures chevauchantes en ciseaux. Enfin, la confrontation des données de tomographie sismique au modèle de déformation obtenu à partir des données de terrain suggère que le cisaillement simple de Bretagne Centrale a affecté l'ensemble de la lithosphère sous-jacente.