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'image numérique 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. / This work presents a mechanical and energy analysis of metallic materials during high and very high cycle fatigue tests. Energy balances are derived from quantitative imaging techniques. Heat sources are estimated from temperature fields measured by an infrared camera. Kinematic fields are obtained by using digital image correlation techniques and used to compute the deformation energy. A first aim is to analyse the energy relevance of the concepts of fatigue limit and stabilzed cyclic behavior. A second aim is to compare dissipation fields at mesoscale with the microstrural distribution of slip bands. Finally, conventional (30-50 Hz) and ultrasonic (20kHz) fatigue tests are used to analyse the frequency effect on the dissipative behavior of the material.

Ce projet de maîtrise met en avant une étude du suivi et de la prédiction de l’endommagement dans des structures composites à fibres de carbone tissées soumises à des efforts de fatigue tension-tension par le biais de deux méthodes de détection non-destructives que sont l’émission acoustique (AE) et la corrélation d’image (DIC). L’émission acoustique se présente comme une méthode unique permettant le suivi en continu des phénomènes microscopiques d’endommagement apparaissant dans le matériau, alors que la corrélation d’image permet un accès en temps réel au champ de déformation et par conséquent aux effets macroscopiques de cet endommagement sur les propriétés du matériau. Le croisement des résultats obtenus à partir de ces deux méthodes améliore la fiabilité et la validité des hypothèses réalisées. L’approche utilisée permet d’établir des courbes de durée de vie du matériau prenant en compte la propagation du défaut artificiel intégré et propose un modèle d’endommagement dans la lignée des modèles phénoménologiques existants. Dans un premier temps, le contexte de l’étude est introduit ainsi que les objectifs détaillés de ce projet. L’importance d’établir des modèles de prédiction de durée de vie en fatigue pour les structures composites est mise en avant. La deuxième partie de ce rapport a pour but de réaliser un état de l’art exhaustif sur les différents domaines touchés par ce projet de recherche. On y retrouve une analyse des mécanismes d’endommagement se développant dans les matériaux composites unidirectionnels et tissés ainsi qu’une présentation des différentes méthodes de modélisation de l’endommagement ayant été développées. Les approches par éléments finis permettant de modéliser l’initiation et la propagation de fissures macroscopiques dans les composites sont ensuite présentées, avant de finalement proposer une revue du domaine de monitorage de l’état de santé des structures, et plus particulièrement l’émission acoustique et la corrélation d’image. Ensuite, le récapitulatif des travaux de recherche réalisés est illustré sous forme d’article dans la troisième partie. Des essais statiques de traction ont d’abord permis d’établir les gammes de charge à utiliser pour les essais de fatigue. Ces mêmes essais de fatigue tension-tension ont été menés à différents chargements à l’aide d’un suivi en continu par émission acoustique et corrélation d’image afin de mettre en évidence l’accumulation des mécanismes d’endommagement. Des courbes de durée de vie représentant l’apparition de ces différents mécanismes d’endommagement ainsi que la rupture totale ont pu être proposées. L’observation du paramètre mécanique de rigidité a finalement permis d’établir une approche de modélisation de l’endommagement par le biais d’une variable d’endommagement dans le lignée des modèles phénoménologiques existants.

L'objectif ultime de ce travail de thèse consiste à établir un bilan énergétique à l'échelle du grain afin de caractériser et de vérifier la cohérence thermodynamique de modèles de comportement utilisés pour rendre compte du développement de la plasticité cristalline dans les matériaux métalliques. La première partie de ce travail a consisté à mettre en place un protocole d'élaboration du matériau permettant d'obtenir la microstructure souhaitée, compatible avec des moyens d'observations macroscopiques. Les échantillons d'aluminium à très gros grains (centimétriques) ainsi obtenus sont utilisés pour effectuer des essais cycliques durant lesquels les champs cinématiques et thermiques sont mesurés au moyen de techniques de Corrélation d'Images Numériques et de Thermographie Infra-rouge. Deux techniques de traitement d'image spécifiques ont été proposées. Elles permettent d'introduire des hypothèses sur les champs cinématiques et thermiques qui soient adaptées à la microstructure (ici continuité intra-granulaire du déplacement, de la température et du flux). Ces méthodes permettent d'accéder à des mesures complètement indépendantes d'un grain à l'autre tout en améliorant la robustesse des méthodes de mesure. Ces méthodes ont été validées numériquement en utilisant des images de synthèse sur lesquelles ont été appliqués des champs hétérogènes. Une campagne d'essais cycliques a enfin été menée sur les multi-cristaux d'aluminium élaborés. Les méthodes développées ont permis d'observer le développement de la plasticité intra-granulaire et le développement de la fissuration inter-granulaire. / The main objective of this PhD thesis is to establish an energy balance at the grain scale in order to assess the thermomechanical consistency of material models used to predict the development of crystal plasticity of metals.The first part of this work consists in setting a protocol allowing the material elaboration with the desired microstructure which is to be compatible with the use of classical macroscopic observation devices. The obtained coarse-grained aluminum samples (with centimeter grains) are used in cyclic tensile tests. During these tests, the kinematic and thermal fields are recorded with Digital Image Correlation and Infra-Red Thermography techniques.Two specific imaging techniques were developed. They allow introducing ad hoc hypotheses (i.e. consistent with microstructure) on the kinematic and the thermal fields. In this work, these hypotheses consist in intra-granular continuity conditions on the displacement, temperature and heat flux fields. These methods give independent measures on each grain while improving the robustness of the measurement methods. These methods were numerically validated using computer-generated images heterogeneously loaded.Cyclic tests were finally performed on the processed aluminum multi-crystals. The developed methods allowed the observation of the development of intra-granular plasticity and the development of inter-granular cracking.

L'identification du comportement des polymères et notamment des élastomères reste un problème délicat. Dans ce travail, nous proposons une méthode d'identification qui associe la mesure de champ de déformation par analyse d'images avec l'optimisation d'un champ de contraintes adapté à l'essai. L'essai retenu est un étirage biaxial réalisé sur une éprouvette en forme de croix. L'approche proposée transforme l'inconvénient de l'hétérogénéité en avantage puisqu'il permet de réaliser l'identification simultanée sur plusieurs états de déformation : typiquement traction uniaxiale, plane et biaxiale. Le champ de contrainte est approché par la somme d'un champ homogène et d'un champ complémentaire vérifiant les conditions de bords libres et qui décroît lorsqu'on pénètre dans l'échantillon. La longueur caractéristique de la décroissance est optimisée de telle sorte que le champ approché vérifie au mieux les équations d'équilibre. En combinant l'analyse d'images avec le champ de contrainte optimisé, on identifie le potentiel hyperélastique en calculant explicitement les deux dérivées f=∂W/∂I1 et g=∂W/∂I2 où et sont les deux 1er invariants du tenseur de Cauchy droit. Enfin, un algorithme spécifique est mis en oeuvre par éléments finis pour une simulation 2D des matériaux hyperélastiques incompressibles. Cet algorithme est utilisé pour valider l'identification en comparant les résultats de la simulation et ceux de l'expérience / The identification of the polymer's behaviour and especially rubber-like materials remains a challenging task. In this work, we propose a method for the identification which combines strain field obtained by digital image analysis and the optimisation of an approximated stress field adapted to the specimen geometry. A biaxial stretching test is performed on a crosshair rubber specimen. With the proposed approach, heterogeneity of the strain field during this equi-biaxial tension test becomes an advantage. It allows the simultaneous identification of several strain states: uniaxial, biaxial and planar elongations as well as shear. The stress field is approximated by the sum of a homogeneous field and an additional field. The latter, checking the boundary conditions on the free edge is decreasing when entering the sample. The characteristic decreasing length is optimized so that the approximate field verifies the equilibrium equations. Combining image analysis with an optimized stress field, we manage the identification the hyperelastic potential by calculating explicitly the two derivatives f=∂W/∂I1 and g=∂W/∂I2 and conclude on their dependence on I1 and I2 the two first invariants of the rigth Cauchy-Green tensor. Finally, a specific finite element algorithm has been developed to similate a 2D-incompresible hyperelastic material. This algorithm is used to validation the identification potentiel by comparing simulation results and experimental data

Le présent travail a pour objectif de comprendre l’influence des paramètres géométriques des éco-matériaux d’enveloppe, tels que le béton de chanvre, sur les mécanismes de transferts couplés de chaleur, d'air et d’humidité afin de prédire le comportement du bâtiment dans le but de le piloter et de l’améliorer dans sa durabilité. Pour cela, une approche multi-échelle est mise en place. Elle consiste à maîtriser les phénomènes physiques dominants et leurs interactions à l’échelle microscopique. S’ensuit, une modélisation à double échelle, microscopique–macroscopique, des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité qui prend en compte les propriétés intrinsèques et la topologie microstructurale du matériau moyennant le recours à la tomographie rayon X conjuguée à la corrélation d’images 2D et 3D. Pour cela, une campagne de caractérisation fine des propriétés physiques et hygrothermiques du béton de chanvre confectionné au laboratoire a été réalisée. Elle s’est focalisée sur l’étude de l’impact du vieillissement, l’état thermique et hydrique du matériau sur ses propriétés intrinsèques. Les résultats montrent une excellente capacité d'isolation thermique et de régulation naturelle d’humidité du béton de chanvre. Puis, une caractérisation microscopique par différentes techniques d’imagerie a été effectuée. Les reconstructions 3D du matériau réel scanné au tomographe aux rayons X à différentes résolutions montrent que le béton de chanvre possède plusieurs échelles de porosité, allant de la microporosité au sein du liant et des chènevottes à la macroporosité inter-particulaire. Le comportement hygro-morphique sous sollicitations hydriques a été ensuite étudié. Les résultats de la corrélation d’image numérique 2D et de la tomographie aux rayons X couplés à la corrélation d’images volumiques, montrent la nature du comportement du béton de chanvre soumis à des hygrométries différentes. En effet, la chènevotte subit des déformations plus importantes que le liant, causant ainsi des modifications de la microstructure du matériau. Sur le volet de la modélisation, moyennant la technique d’homogénéisation périodique un modèle des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité dans les matériaux poreux de construction a été développé. Les tenseurs de diffusion et de conductivité thermique homogénéisés ont été calculés numériquement. Ensuite, une confrontation entre les résultats du calcul des coefficients de diffusion macroscopique et ceux expérimentaux obtenus au LaSIE a été réalisée. Elle met en évidence la qualité de la prédiction. De plus, la conductivité thermique de la phase solide a été ainsi déduite. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l’influence de l’état hydrique et thermique du béton de chanvre sur ces propriétés intrinsèques, et sa microstructure très hétérogène. Ils ont révélé aussi les limites des approches phénoménologiques basées sur l’établissement des bilans de masse, de quantité de mouvement et d’énergie. / The aim of this work is to understand the influence of the geometric parameters of envelope eco-materials, such as hemp concrete, on the mechanisms of coupled heat, air and moisture transfers, in order to predict behavior of the building to control and improving it in its durability. For this a multi-scale approach is implemented. It consists of mastering the dominant physical phenomena and their interactions on the microscopic scale. Followed by a dual-scale modeling, microscopic-macroscopic, of coupled heat, air and moisture transfers that takes into account the intrinsic properties and microstructural topology of the material using X-ray tomography combined with the correlation of 2D and 3D images. A characterization campaign of physical and hydrothermal properties of the hemp concrete manufactured in the laboratory was carried. It focused on studying the impact of aging, thermal and hydric state of the material on these intrinsic properties. The results show an excellent thermal insulation and natural moisture regulation capacity of hemp concrete. Then, a microscopic characterization by different imaging techniques was performed. The 3D reconstructions of the real material scanned with X-ray tomography at different resolutions show that hemp concrete has several scales of porosity, ranging from micro-porosity within the binder and hemp shiv to the inter-particle macro-porosity. The hydromorphic behavior under hydric solicitations was studied. The results of the 2D digital image correlation and X-ray tomography coupled with the volumetric image correlation show the nature of the behavior of hemp concrete subjected to different relative humidities. In fact, the hemp shiv undergoes greater deformations than the binder, thus causing changes in the microstructure of the material. On the modeling part, a model of coupled heat, air and moisture transfer in porous building materials was developed using the periodic homogenization technique. The homogenized tensors of diffusion and thermal conductivity were determined numerically. Then, a confrontation between the results of the calculation of the macroscopic diffusion coefficients and the experimental results obtained at the LaSIE was carried out. It highlights the quality of the prediction. In addition, the thermal conductivity of the solid phase was thus deduced. The results obtained in the framework of this PhD thesis have highlighted the influence of the hydric and thermal state of the hemp concrete on these intrinsic properties and its very heterogeneous microstructure. They also revealed the limitations of phenomenological approaches based on the establishment of the balances of mass, amount of motion and energy

Ce travail présente une caractérisation expérimentale du comportement mécanique et de la rupture par localisation de la déformation dans un grès des Vosges. L'évolution temporelle de la localisation a été caractérisée par des mesures de champs. Une nouvelle cellule triaxiale vraie a été développée au Laboratoire 3SR (Grenoble), qui permet une visualisation des échantillons sous chargement pour réaliser de la corrélation d'image numérique (CIN). Les essais ont été réalisés par compression en déformation plane (confinement de 20 à 50 MPa). La transition d'une déformation diffuse à localisée a été finement étudiée. Une analyse comparative a été ensuite effectuée entre les mesures de champs et la microstructure à l'échelle des grains observée par microscope (MEB). Enfin, une étude théorique basée sur une analyse en bifurcation a été menée pour comparer observations des bandes de cisaillement et prédiction sur la localisation de la déformation. / This work aims an experimental characterization of the mechanical behaviour and failure by strain localization on a Vosges sandstone. The time evolution of strain localization has been characterized by full-field measurements. A new true-triaxial apparatus has been developed at Laboratoire 3SR (Grenoble), which enables the observation of the specimens during mechanical loading for application of digital image correlation (DIC). Tests have been performed in plane strain compression (confining pressure from 20 to 50 MPa). The transition from diffuse to localised deformation regimes has been extensively studied. Then, a comparative analysis has been done between the strain fields (DIC) and microscope (SEM) observations to determine how closely the DIC fields are related to deformation mechanisms detected at the grain scale. Finally, a theoretical bifurcation analysis is presented to compare the experimental observations of shear bands with strain localization prediction.

Dans cette étude, les propriétés mécanique et la microstructure du polyéthylène à haute densité (PEHD)/ fibres de bois (Pinmaritime) ont été caractérisés. Le comportement en traction et en flexion 4 points de composites fibres de bois/polyéthylène(WPC) avec et sans additif a été étudié en utilisant des mesures de champs par stéréo-corrélation d’image numériques. Nousavons tout d’abord comparé les mesures de déformation longitudinale par stéréo-corrélation d’image à celles mesurées parextensométrie mécanique au cours d’un essai de traction simple uni-axial. Les valeurs de déformation macroscopiquemesurées sont comparables à celles obtenues par extensométrie mécanique classique. Quatre formulations ont été testées(avec ou sans l'additif et avec 10% ou 30% de bois) au travers des essais de traction et flexion 4 points en utilisant laméthode par stéréo-corrélation d’image. Nous avons pu ainsi corréler la visualisation combinée des images enregistrées parles caméras au comportement mécanique ainsi qu’aux modifications des surfaces des composites. Les résultats ont montréque les singularités au niveau de la surface des échantillons ainsi que la présence des fibres de bois (dans les proportionsutilisées durant nos essais) n’ont pas d’effets sur la qualité du composite. La stéréo corrélation d’images nous permet d’avoirune information précise sur le cisaillement tant d’un point de vue quantitatif que qualitatif. L’essai cyclique a été utilisé pouranalyser l’endommagement du composite. Les courbes en traction et flexion ont montré un comportement global non linéaire. Le module d’élasticité (MOE) est évalué par la tangente à l’origine d’un modèle de Maxwell-Binhgam ajusté paroptimisation sur les courbes expérimentales. Les cartographies fausses couleurs du champ de déformation du WPC ont étéprésentées. D’autre part, on a analysé le comportement endommageable et le degré d’hétérogénéité pour différentspourcentages de bois à l’aide des valeurs de l’écart type spatial du champ de déformation longitudinale. Par cette technique,nous avons également pu étudier les propriétés mécaniques en traction et en compression à partir d’un essai de flexion 4points. Le second objectif était d’améliorer la performance des liaisons entre les fibres de bois hydrophiles polaires et lamatrice plastique de PEHD hydrophobe non polaire. Pour cette raison, la fibre de bois a été traitée par anhydride maléique depolyéthylène (MAPE) (greffage par copolymérisation) et acétylée (greffage de chaine de carbone). Dans cette partie, nousavons étudié l’effet de MAPE ainsi que la longueur de la chaine de carbone greffée sur les propriétés mécaniques du WPC.Par ailleurs, nous avons pu observer et caractériser la morphologie à l’interface fibre de bois/HDPE du WPC greffé enutilisant un microscope électronique à balayage (MEB). / Firstly we have compared longitudinal strenght obtained by stereo correlation with mechanical extensometer forthe same tests. It is shown that macroscopic values of the longitudinal strain are closed to those measured bymechanical extensometers using standard mechanical tests. Four injected WPC formulations (with or withoutadditive and with 10% or 30% of wood) are consider. WPC surface particularities and wood fibers distributionon samples have no effect on WPC mechanical performances. Also 3D digital image correlation givesinformations on Tensile performances (from quality and quantity point of view). Cyclic tensile tests have beenperformed in order to analyse the damage of material. A non-linear behaviour is shown. The Modulus ofElasticity (MOE) is provided by a Maxwell-Bingham model fitted to the experimental tensile curves. Color mapsof the spatial strain distribution are commented. Moreover, the damage behaviour and the degree ofheterogeneity for several percentages of fibre wood-based WPC are analysed thanks to the spatial standarddeviation of the longitudinal strain field. With this technology it was possible to study of the mechanicalproperties in tensile and compression during four bending test. The second objective was to improve the linkbetween PEHD matrix and wood fibres because of the incompatibility between the polar hydrophilic wood fibresand the non-polar hydrophobic polyethylene. For this reason, the wood fibre was treated by maleic polyethyleneanhydride (MAPE) (grafting by copolymerization) and was acetylated (grafting of carbon chain). In this part, theeffect on the mechanical properties, of maleic anhydride modified polyethylene (MAPE) and of the length of thecarbon chain graft (CCG) between a (HDPE) matrix and wood fiber is studied. Furthermore, Scanning ElectronMicroscope (SEM) is used to characterize the morphology of the wood fibre / HDPE matrix interface forspecimens with carbon chain grafted.

Avec les récents développements des mesures de champs, il est devenu possible deréaliser des expériences sur un échantillon de sol en effectuant des mesures simultanémentaux différentes échelles pertinentes : celle de l'échantillon, et celle des grains, et ceci en3D volumique. Ces progrès ont permis une meilleure compréhension des processus qui seproduisent dans le sol, en les observant au cœur même des échantillons.Cette thèse vise à caractériser les comportements de rétention d'eau et hydro-mécaniquedu sable d'Hostun non saturé à l'échelle du grain. Pour ce faire, des essais de rétentiond'eau et des essais triaxiaux ont été effectués, qui ont nécessité le développement d'outils detraitement d'image et des montages expérimentaux spécifiques. L'installation de tomographie à rayons X du Laboratoire 3SR de l'Université des Grenoble a été utilisée pour générer des images en 3D de la microstructure du sol non saturé. Une technique de trinarization a été mise en œuvre pour permettre la séparation des phases (les grains, l'eau et l'air) dans les images 3D, et d'effectuer différentes mesures à l'échelle du grain. La porosité et le degré de saturation ont été mesurées macroscopiquement en utilisant les images segmentées, et microscopiquement en utilisant un code de cartographie spécialement développé. Les mesures microscopiques ont été réalisées sur un volume élémentaire représentatif (VER), dont la taille a été déterminée en utilisant une analyse développée sur la base d'outils statistiques. Plusieurs analyses discrets ont été développées pour étudier l'évolution de la phase fluide (l'eau et l'air) avec le chargement (succion, et chargement mécanique). La corrélation d'images numérique 3D volumique a été mise en œuvre systématiquement pour ces deux types d'essais.Pour analyser le comportement de rétention d'eau du sable d'Hostun pendant les processus de séchage et de mouillage, une cellule spécifique a été développée. La succion a été appliquée en utilisant la technique de tensiomètre. L'échantillon (cylindrique 1x1cm) a été préparé en utilisant la technique de la pluviation sous l'eau et scanné avec une résolution de 7,5micron. La courbe de rétention d'eau, surface et les domaines hydriques ont été obtenus et le phénomène d'hystérésis et la cohésion du sol ont été analysés à l'échelle du grain.Pour le comportement hydro-mécanique des sols non saturés, des essais triaxiaux ontété effectué sous trois conditions: saturé drainé, non saturé drainé et non saturé non drainé. Un appareil triaxial que l'on peut placer à l'intérieur de la cabine du tomographe à rayons X a été développé afin de permettre le suivi des changements dans la microstructure du sable et la distribution de l'eau lorsque l'on soumet l'échantillon à chargement mécanique. L'échantillon (cylindre de dimensions hxd=2x1cm) a été préparé en utilisant la technique de la pluviation sous l'eau (complétement saturé au début des trois tests), amené ensuite au niveau de saturation désiré (dans le cas des essais non saturés), puis chargé par étapes successives avec scan à chaque étape avec une résolution de 13micron, jusqu'à arriver à 21% de déformation axiale pour les trois types d'essai. Les courbes contrainte-déformation, la réponse volumétrique et les déformations ont été obtenus et le profil de déformation, l'hétérogénéité de l'échantillon, la cohésion et la distribution de l'eau ont été analysés. / With the recent developments of full field measurements, it has become possible to do experiments on a soil specimen, and perform measurements at different scales. This progress has allowed greater understanding for all the processes that occur within the soil, and also created better environment to observe these mechanisms in 3D. This PhD work aims to characterize water retention and hydro-mechanical behaviours of unsaturated Hostun sand at the grain scale. To achieve this goal, water retention and triaxial tests were performed and a set of experimental and image processing tools was developed and used for the two series of tests. X-ray computed tomography set up available at 3SR Laboratory in Grenoble University was used to generate 3D images of the unsaturated soil microstructure non-destructively. A developed region growing systematic technique (trinarization technique) was used to allow the separation of the phases (i.e., grains, water and air) in the 3D images, and performing different measurements at the grain scale. Porosity and degree of saturationwere measured macroscopically using the trinarized images and microscopically using a developed mapping code. The microscopic measurements were performed over an REV, whose size was determined using a developed analysis based on statistical tools. Several microscopic-discrete analyses were developed to investigate the evolution of fluid phase (water and air) with loading (suction and mechanical loading). Digital Image Correlation was performed for the two tests.To analyze water retention behaviour of Hostun sand during drying and wetting processes, a pressure plate apparatus was developed. Suction was applied using tensiometry technique. The specimen (cylindrical 1x1cm) was prepared using water pluviation technique and scanned with a resolution 7.5micron. As a result, water retention curve, surface and domains were obtained and hysteresis phenomenon and soil cohesion were analyzed at the grain scale.For the mechanical behaviour of unsaturated soils, triaxial test were performed at three conditions: saturated drained, unsaturated drained and unsaturated undrained. A triaxial apparatus that can be placed inside the x-ray cabinet was developed in order to facilitate monitoring the changes in sand microstructure and water distribution when subjecting the soil specimen to loading. The specimen (cylinder of hxd=2x1cm) was prepared using water pluviation technique (completely saturated at the beginning of the three tests), loaded then scanned with a resolution 13micron, repeatedly till reaching 21% axial strain forthe three tests.Consequently, stress-strain curves, volumetric response and deformations measurements were obtained and deformation pattern, specimen heterogeneity, cohesion and water distribution were analyzed.