Au cours des procédés de forgeage et d'usinage, le matériau subit des déformations rapides et importantes provoquant des échauffements localisés, des changements microstructuraux et de l'endommagement. La modélisation de tels phénomènes nécessite la connaissance précise des lois de comportement et d'endommagement sur une très large gamme de déformations, vitesses de déformation, et températures. Des essais de compression conduits en utilisant le simulateur thermomécanique GLEEBLE et le banc d'Hopkinson sur deux aciers, 42CrMo4 et 100Cr6, et un alliage d'aluminium 2017-T4, permettent de distinguer trois domaines de comportement : à froid, à mi-chaud et à chaud. Les phénomènes microstructuraux rencontrés dans chaque domaine sont analysés et reliés au comportement rhéologique observé. Après une comparaison de différents modèles de la littérature, un modèle empirique est proposé. Il rend efficacement compte de la compétition entre l'écrouissage et l'adoucissement et permet de refléter, via un couplage, les effets de température et de vitesse de déformation. Une caractérisation des mécanismes d'endommagement est conduite, à froid, à l'aide d'essais de traction in situ dans un Microscope Electronique à Balayage et de la méthode de corrélation d'images numériques. En température, des essais de traction sur éprouvettes axisymétriques entaillées sont utilisés. Deux modèles d'endommagement sont identifiés et analysés, le critère de rupture découplé de Johnson-Cook et le modèle micromécanique couplé de Gurson-Tvergaard-Needleman. Les différents modèles de comportement étudiés sont enfin utilisés et discutés dans le cadre de simulations Eléments Finis de la coupe orthogonale, du cisaillement sur éprouvette " chapeau " et du bipoinçonnement.

Ce travail concerne l'étude de l'intégrité des matériaux ou des structures assemblées en s'intéressant à la modélisation du mécanisme de rupture à l'aide des modèles de zones cohésives (MZC). Cette approche présente l'avantage d'incorporer une longueur caractéristique dans la description de la rupture, ce qui permet notamment d'évaluer des effets de taille. Trois paramètres caractérisent ces MZC : la contrainte de traction Tmax à laquelle l'interface ou le matériau peut résister avant d'amorcer sa décohésion, l'ouverture critique à partir de laquelle une fissure est créée localement et finalement une loi traction-ouverture qui décrit la répartition des efforts cohésifs selon le mécanisme opérant.L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les paramètres cohésifs caractérisant la rupture interfaciale dans un joint de colle ou cohésif dans un matériau. Pour cela, une première étape était d'élaborer un modèle analytique, décrivant correctement la cinématique d'un essai DCB ou Wedge, pour caractériser la rupture mode I. Bien que le mode d'ouverture soit opérant, le champ de déplacement au voisinage de l'entaille n'est pas K-dominant pour ces essais, du moins pas toujours. Plusieurs lois de traction-ouverture ont été considérées afin d'étudier leur influence sur la réponse locale et globale de l'essai. Une méthodologie d'identification inverse a été proposée à partir d'un modèle analytique, qui consiste à extraire les paramètres cohésifs en minimisant l'erreur au sens des moindres carrés entre les déflections analytique et numérique. Une fois validée, elle a été par la suite appliquée à un cas réel, qui est l'essai d'insertion de lame. La mesure du champ de déplacement expérimental est possible grâce à une mesure du champ de déplacement par corrélation d'image.Une analyse approfondie a été aussi consacrée à l'étude de la "Process Zone" pour un essai DCB ou Wedge. Cette étude met en évidence la variation de Lcz en fonction de la géométrie des éprouvettes, des propriétés de la zone cohésive, des propriétés mécaniques du matériau ou encore la forme de la loi traction-ouverture utilisée. Une nouvelle expression pour estimer Lcz est établie pour les zones cohésives rectangulaires et triangulaires.Une deuxième approche d’identification locale, basée sur le travail de Réthoré et Estevez (2013), a été aussi proposée et discutée. Elle a été mise en oeuvre pour un essai d'insertion de lame, avant d'être appliquée à un essai de flexion 4 points entaillé. Un aller-retour entre simulation numérique et résultat expérimental permet d'identifier les propriétés cohésives du matériau ou de l'interface / This work concerns the study of materials and assemblies structures integrity using cohesive zone model (CZM) to analyze fracture. These models have the advantage to incorporate a characteristic length in the description of fracture initiation and propagation, which can lead to size effects studies. Three parameters characterize the CZM : the maximal cohesive traction Tmax to which the interface or the material can resist before the onset of debonding, the critical crack opening from which a crack is created locally and finally the traction-separation law which describe the cohesive traction distribution depending on fracture process.The main purpose of this thesis is to identify the cohesive zone parameters describing fracture at the interface or in the material. The first step was to elaborate an analytical model which can describe properly the DCB or Wedge Test kinematic, to characterize mode I fracture. Despite the fact of mode I fracture, the displacement field near the crack-tip is not K-dominant for these tests, at least not always. Various traction-separation laws were considered in order to study their influence on the local and global response of the test. An inverse identification methodology has been proposed from the analytical model, which can extract cohesive parameters through a least square error minimization between numerical and analytical deflection. Once validated, it was subsequently applied to a real Wedge test. The experimental displacement field measurement was done due to digital image correlation measurement.A deep analysis to evaluate the fracture process zone length has been also dedicated in the case of Wedge or DCB Tests. This analysis shows that Lcz is not an intrinsic interface or materials property and it can vary depending on the sample's geometry, the cohesive zone properties or the traction-separation law. A new expression to determine Lcz was established for rectangular and triangular cohesive zone.A second local identification approach, based on the work of Réhoré and Estevez (2013), has been also proposed. It was implemented to analyze the Wedge test, before applying it to a notched four points bending test. A round trip between numerical simulations and experimental results allow identifying the cohesive properties in the materiel or at the interface.

Ce travail porte sur l'identification de modèles de zones cohésives. Ces modèles, proposés initialement dans les années 60 sont maintenant de intensivement utilisés dans les simulations numériques pour rendre compte de l'initiation et de la propagation de fissures pour différents matériaux et structures.L'identification de ces modèles reste encore aujourd'hui une problématique délicate. Les développements récents de techniques d'imagerie permettent d'accéder à des champs de mesures locales (e.g. déformation et température, …). On se propose dans ce travail d'utiliser la richesse des informations issues de ces techniques d'imagerie pour mettre en place une procédure d'identification qui prenne en compte à la fois le développement de la localisation (effet de structure) mais aussi la nature des différentes irréversibilités mises en jeu (comportement thermo-mécanique). On s'intéresse à des comportements élasto-plastiques endommageables de matériaux ductiles. L'endommagement est associé à un comportement cohésif de l'interface entre les éléments volumiques supposés purement élasto-plastiques.La procédure d'identification comporte deux étapes. La première consiste à caractériser la forme et les paramètres de la loi cohésive sur des essais de traction standard à partir d'une analyse des champs mécaniques localement développés. La seconde étape consiste à vérifier la cohérence thermo-mécanique du modèle identifié en confrontant les mesures calorimétriques déduites des champs de température avec les prévisions du modèle identifié.Cette méthode est appliquée avec succès sur différents matériaux (acier Dual Phase et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique qui est nécessairement introduite dans l'identification. On montre que cette longueur peut être estimée au regard des différents paramètres introduits dans les traitements d'images.Cette méthode est appliquée sur différents matériaux (acier et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique qui est nécessairement introduite dans l'identification. On montre que cette longueur peut-être corrélée à l'échelle d'identification des processus d'endommagement sous-jacents. Ainsi les modèles cohésifs identifiés sont fournis au modélisateur avec l'échelle physique à laquelle ils résument l'endommagement volumique du matériau. / This work deals with the identification of cohesive zone models. These models were intially proposed in the 1960s. They are now more and more frequently used in numerical simulations to account for crack initiation and propagation in different materials and structures.The identification of these models still remains a delicate issue. The recent developments in imaging techniques now allow reaching local measurement fields (e.g. strain, temperature,…). We propose here to use the large amount of information given by these techniques to set up an identification procedure accounting for either the localization development (structural effect) and also the character of the different irreversibility sources encountered (thermo-mechanical behavior). We study damageable elasto-plastic ductile materials. Damage is associated to a cohesive behavior of the interface between volumic elements supposed to remain purely elasto-plastic.The identification procedure involves two steps. The first one consists in characterizing the shape and the parameters of the cohesive zone on tensile tests by analyzing the mechanical fields locally developed. The second one consists in checking the thermo-mechanical consistency of the identified model by confronting the calorimetric measurements deduced from temperature fields with the previsions of the identified model.This method is applied on different materials (Dual Phase steel and copper). A specific caution is conferred to the characterization of the characteristic length necessarily introduced by the identification. It is shown that this length can be estimated regarding the different parameters introduced in the image processing.

La thèse a pour but de caractériser les propriétés mécaniques de matériaux à base de fibres de bois en relation avec les propriétés intrinsèques des fibres et leur arrangement spatial complexe. Ce type de matériau, dont les caractéristiques dépendent de sa configuration, est hétérogène à différentes échelles : à l’échelle microscopique de la fibre, à l’échelle mésoscopique du réseau des fibres et à l’échelle macroscopique du matériau. Pour observer ces hétérogénéités, différents moyens expérimentaux de caractérisation sont utilisés, notamment la microtomographie aux rayons X et la corrélation d’images volumiques. Ces deux techniques permettent à la fois de visualiser et numériser la position spatiale des différentes fibres du matériau à l’échelle microscopique dans le volume, et d’obtenir le champ tridimensionnel de déformation à cœur. Comme résultats, le matériau étudié montre un comportement non-linéaire avec une déformation résiduelle et un effet d’hystérésis en charge/décharge, qui suit le modèle de Van-Wyk. A l’échelle microscopique, le champ de déformation 3D apparait fortement hétérogène et est intimement lié aux porosités locales. / This thesis aims at characterizing the mechanical properties of wood-based fibrous material in relation with the intrinsic properties of the fiber as well as the complex architecture of random fibrous assembly. This material, whose characteristics strongly depend on its configuration, is heterogeneous at different scales: microscopic scale of individual fibers, mesoscopic scale of fiber assembly and macroscopic scale of sample. In order to observe these heterogeneities, different experimental characterization methods are employed, especially X-ray microtomography and Digital Volume Correlation. These both techniques allow us to visualize and digitize the spatial position of different phases of material at microscopic scale as well as the full 3D strain field inside the material. The obtained results are following: the material shows a non-linear mechanical behavior with hysteresis and residual deformation during cyclic compression tests, which respects Van Wyk's model. At microscopic scale, the 3D strain field is strongly heterogeneous and deeply related to local porosities.

Les critères de localisation et d’endommagement sont généralement basés sur un cadre dissipatif et ce travail s’intéresse aux couplages thermomécaniques accompagnant les micromécanismes de déformation. Il repose en partie sur des données expérimentales obtenues précédemment dans le laboratoire par Bodelot pour un polycristal d’acier A316L. Ce travail tire profit d'une combinaison de techniques différentes, en particulier de mesures in situ de champs cinématiques et thermiques ainsi que de l’Orientation Imaging Microscopy, de la profilométrie et d’une micrographie de surface. Différents outils ont été développés afin (1) d'identifier automatiquement les systèmes de glissement activés, (2) d’estimer l’émissivité de la surface permettant ainsi une détermination des champs thermiques avec une précision de 30 mK, (3) de projeter les champs bruts expérimentaux sur la microstructure et (4) de permettre la modélisation du polycristal et de ses conditions aux limites thermomécaniques réelles dans un cadre de plasticité cristalline dans le code EF Abaqus. Il a notamment été montré que les variations de température fournissent une estimation précise et aisée de la limite d'élasticité macroscopique ainsi que la détermination de la contrainte de cisaillement critique à l'échelle granulaire. En outre, les mesures cinématiques ont permis l'identification des systèmes de glissement activés. Des bilans énergétiques expérimentaux et numériques ont été réalisés et une grande influence de l'hétérogénéité polycristalline sur les mécanismes de stockage d’énergie a été soulignée. Les méthodes proposées contribueront à améliorer les critères d’endommagement basés sur un cadre dissipatif / Strain localization and damage criteria of materials and structures are commonly based on a dissipative framework and this work investigates the thermomechanical couplings accompanying the deformation micromechanisms. It is partly based on experimental data obtained previously in the laboratory by Bodelot for a A316L austenitic stainless steel polycrystal. This work takes profit of a multi-technique approach combining, in particular, in-situ kinematic and thermal fields measurements as well as Orientation Imaging Microscopy, profilometry and surface micrography. Different tools have been developed (1) to automatically identify the activated slip systems directly from the surface micrography, (2) to approach the surface emissivity field allowing an accurate determination of the thermal fields with a 30 mK precision, (3) to project raw experimental fields on the microstructure and (4) to allow the modeling of the polycrystal aggregate and its real thermomechanical boundary conditions by using a crystal plasticity framework within the Abaqus FE code. It has notably been shown that the temperature variations provides an easy and accurate estimation of the macroscopic yield stress at the specimen scale as well as the determination of the Critical Resolved Shear Stress at the intragranular scale. In addition, the local kinematic measurements allow the in-situ identification of the activated slip systems. Experimental and numerical energy balances have been conducted and a great influence of the polycrystalline heterogeneity on the energy storage mechanism has been underlined. The proposed methods would help improving physical based dissipative criteria for damage analysis

La détermination précise du comportement plastique des tôles métalliques anisotropes est un élément clé d'une simulation numérique fiable des procédés de mise en forme par emboutissage. Dans cette étude, nous avons mis au point une procédure d'identification paramétrique d'un modèle de surface de plasticité anisotrope à 8 paramètres, qui s'appuie sur des essais classiques de traction uniaxiale selon différentes orientations de l'éprouvette, mais aussi sur des essais de traction biaxiale hétérogènes. Ces derniers ont d'abord nécessité la conception de 2 types d'éprouvettes cruciformes qui, sollicitées en traction biaxiale, sont soumises à des champs de déformation couvrant le domaine allant de la traction uniaxiale à la traction équibiaxiale. L'analyse des essais de traction permet tout d'abord de déterminer les paramètres d'écrouissage ainsi que certains des paramètres de la fonction de charge liés à l'anisotropie en déformation et l'anisotropie en contrainte des matériaux. Les autres paramètres de la fonction de charge, qui interviennent dans la définition de la forme de la surface de plasticité dans le domaine de l'expansion, sont ensuite obtenus à l'aide d'une méthode d'identification minimisant l'écart entre les champs de déformation obtenus expérimentalement par une méthode d'analyse d’images, et ceux déterminés par simulation des essais à l'aide d'un code de calcul par éléments finis. La procédure d'identification a été appliquée à deux nuances d'aciers pour emboutissage, un acier inoxydable AISI304, et deux alliages d'aluminium. Les résultats montrent la grande sensibilité de la méthode d'identification proposée. Des essais de validation sont également présentés / The precise determination of the plastic behaviour of anisotropic sheet metals is a key element for obtaining reliable results in numerical simulations of forming processes. In this study, an identification procedure has been developed using an 8- parameter yield surface model. The procedure is based on the analysis of both classical uniaxial tension tests performed along different directions, and heterogeneous biaxial tensile tests. Two types of cruciform specimens have been designed to this end. Under biaxial stretching, the specimens are submitted to strain fields covering the range from uniaxial tension to equibiaxial tension. First, the analysis of uniaxial tensile tests allows us to determine strain-hardening parameters, and yield function parameters related to strain- and stress-anisotropy. Then, the other yield function parameters defining the shape of the yield surface in the biaxial stretching range are obtained using an identification procedure which minimizes the difference between strain fields obtained experimentally by an image correlation method, and strain fields determined by numerical simulations using a finite element code. The identification procedure has been applied to 2 steels of deep-drawing quality, an AISI304 stainless steel and two aluminium alloys. The results display the high sensitivity of the proposed identification method. Validation tests are also presented

L’objectif de ce travail est de caractériser le comportement mécanique de composites constitués à de matrices polymériques renforcées par des fibres naturelles. Les matériaux étudiés dans cette thèse sont le polypropylène pour la matrice et les fibres de coco pour les renforts. La caractérisation morphologique et mécanique de ces matériaux est entreprise grâce à l’usage de la microscopie électronique à balayage, la tomographie aux rayons X, la corrélation d’images numériques et la thermographie infrarouge. Dans une première partie, on a étudié en détail les fibres de coco dans trois états différents: à l’état naturel et après traitement chimique suivi ou non de séchage. Les fibres ont été observées en tomographie et leurs caractéristiques essentielles définies. Par ailleurs des essais mécaniques in-situ dans un microscope électronique à balayage ont été conduits pour l’obtention de leurs propriétés mécaniques. Il a quasi été procédé à la caractérisation mécanique du comportement de tissus de fibre en vue de leur utilisation dans un composite. Dans une seconde partie, le comportement mécanique du polypropylène (à l’état vierge ou recyclé) a été analysé grâce à des essais de traction à déplacement imposé et à diverses vitesses de chargement. Ces essais ont été instrumentés pour des mesures de champs de déplacement et de températures, les premiers servant à mesurer les états de déformation, la progression de l’endommagement et observer les modes de rupture du matériau. L’effet du recyclage est souligné et en particulier la dégradation des propriétés mécaniques. Les caractéristiques complètes (élasticité, pic et plateau et endommagement) et l’effet de la vitesse sur celles-ci sont exhibées pour les deux états. Dans la dernière partie du travail, on s’est intéressé au comportement du composite considérant la matrice à l’état vierge ou dans l’état recyclé. Les caractéristiques obtenues sont discutées en soulignant l’influence du mode d’élaboration utilisé et l’apport des fibres de coco. / The objective of this work is to characterize the mechanical behavior of composites made with recycled polymeric matrices reinforced with natural fibers. The materials studied in this thesis are the polypropylene matrix and the coconut fibers for reinforcement. The morphological and mechanical characterization of these materials is undertaken with the use of scanning electron microscopy, X-ray tomography, the digital image correlation and infrared thermography.In the first part, we studied in detail the coconut fibers in three different states: in its natural state and after chemical treatment followed or not drying. The fibers were observed in tomography and their essential characteristics defined. Furthermore in situ mechanical testing in a scanning electron microscope were conducted to obtain their mechanical properties. It has almost been carried out the mechanical characterization fabrics of the behavior for use in a composite. In a second part, the mechanical behavior of polypropylene (virgin or recycled state) was analyzed by tensile testing at imposed displacement and various charging speeds. These tests were instrumented for measurement of displacement fields and temperatures, the first to measure the deformation conditions, the progression of the damage and observe the failure modes of the material. The effect of recycling is particularly pointed out and degradation of mechanical properties. Complete specifications (elasticity, peak and shelf and damage) and the effect of speed on them are exhibited for both states. In the last part of the work, it was interested in the behavior of the composite matrix considering the blank state or in the recycled state. The characteristics obtained are discussed emphasizing the influence of the method of production used and the contribution of coconut fibers.

Récemment, les observations in-situ par laminographie aux rayons X (au synchrotron) montrent que les multiples bandes de localisation sont les précurseurs de l'endommagement et éventuellement de la rupture en biseau. Ces bandes peuvent être liées aux phénomènes de vieillissement par la déformation (type effet de L"uders ou Portevin-Le Chatelier (PLC)) dont l'influence sur la rupture est encore mal compris. Ces effets sont pourtant observés dans de nombreux alliages industriels comme les aluminiums de la série 2000 ou 5000, ou par exemple, dans le cas des aciers C-Mn pour lesquels un creux de ductilité est observé dans la gamme de température o'u ces effets sont les plus marqués.L'objectif de la thèse consiste à caractériser l'effet PLC et évaluer son influence sur le développement de l'endommagement et donc sur la rupture finale. D'abord, l'effet de vieillissement sur l'écrouissage a été introduit dans un modèle basé sur la densité de dislocations en utilisant les résultats dans la littérature. Ensuite, certains alliages d'aluminium de la série 2000 et un acier C-Mn ont été étudiés par essais mécaniques avec corrélation d'images.Le déclenchement prématuré de localisation a été observé pendant les essais de relaxation, de déchargement et de changement de vitesse pour certains alliages d'aluminium.Les bandes autour de l'entaille dans l'éprouvette d'acier C-Mn ont été observées à haute température. Deux modes de rupture différents ont été observés dans les deux températures. Ces résultats sont comparés avec ceux du modèle KEMC. Enfin, un modèle de comportement couplant les effets de vieillissement (type KEMC) et d'endommagement (type Rousselier) a été développé pour tenter d'expliquer les interactions observées expérimentalement entre ces deux phénomènes. / Recently, in-situ observations by X-ray laminography (at synchrotron) show that the multiple localization bands are the precursors of damage and possibly the slant fracture. These bands can be related to the strain ageing effect (L"uders or Portevin-Le Chatelier (PLC)) whose influence on the fracture is still poorly understood. These effects are observed in many industrial alloys such as 2000 or 5000 series aluminium alloys, or, for example, in the C-Mn steels for which a ductility drop is observed in the temperature range where these effects are most pronounced.The aim of the thesis is to characterize the PLC effect and to evaluate its influence on the development of ductile damage and therefore on the final fracture. Firstly, the influence of strain ageing on strain hardening was introduced in a model based on the dislocation density using results from the literature. Secondly, several 2000 series aluminium alloys and a C-Mn steel were investigated by mechanical tests combined with Digital Image Correlation. The premature triggering of localization bands was observed in tensile tests involving relaxation, unloading and strain rate jump for certain aluminium alloys. The bands around the notch in the specimens of C-Mn steel were observed at high temperature. Two different modes of fracture were observed at the two temperatures. These results are compared with those produced with the KEMC model. Thirdly, a constitutive model combining the strain ageing (type KEMC) and damage (type Rousselier) was developed in order to explain the experimentally observed interactions between these two phenomena.

Ce travail porte sur l'identification de modèles de zones cohésives. Ces modèles, proposés initialement dans les années 60 sont maintenant intensivement utilisés dans les simulations numériques pour rendre compte de l'initiation et de la propagation de fissures pour différents matériaux et structures. L'identification de ces modèles reste encore aujourd'hui une problématique délicate. Les développements récents de techniques d'imagerie permettent d'accéder à des champs de mesures locales (e.g. déformation et température, ...). On se propose dans ce travail d'utiliser la richesse des informations issues de ces techniques d'imagerie pour mettre en place une procédure d'identification qui prenne en compte à la fois le développement de la localisation (effet de structure) mais aussi la nature des différentes irréversibilités mises en jeu (comportement thermomécanique). On s'intéresse à des comportements élasto-plastiques endommageables de matériaux ductiles. L'endommagement est associé à un comportement cohésif de l'interface entre les éléments volumiques supposés purement élasto-plastiques. La procédure d'identification comporte deux étapes. La première consiste à caractériser la forme et les paramètres de la loi cohésive sur des essais de traction standard à partir d'une analyse des champs mécaniques locaux. La seconde étape consiste à vérifier la cohérence thermo-mécanique du modèle identifié en confrontant les mesures calorimétriques déduites des champs de température aux les prévisions du modèle identifié. Cette méthode est appliquée avec succès sur différents matériaux ductile (acier Dual Phase et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique associée aux modèles cohésifs. On montre que cette longueur peut-être corrélée à l'échelle d'identification des processus d'endommagement sousjacents. Ainsi les modèles cohésifs identifiés sont fournis au modélisateur avec l'échelle physique à laquelle ils résument l'endommagement volumique du matériau.

Cette étude présente une analyse mécanique et énergétique de la fatigue des matériaux métalliques à grand et très grand nombre de cycles. Des bilans d'énergie en fatigue sont réalisés à partir de techniques d'imagerie quantitatives. Les sources de chaleur sont déterminées à partir des champs de température mesurés par caméra infrarouge. Les champs cinématiques sont obtenus en utilisant une technique de corrélation d'images numériques et permettent d'estimer l'énergie de déformation mise en jeu. Un premier objectif est d'analyser la pertinence énergétique des concepts de limite de fatigue et d'état cyclique stabilisé. Un deuxième objectif est de comparer les champs de dissipation à l'échelle mésoscopique aux distributions de bandes de glissement. Enfin, la comparaison d'essais de fatigue conventionnelle (30-50 Hz) et ultrasonique (20 kHz) permet d'analyser les effets de la fréquence sur le comportement dissipatif du matériau.