L’acier Ferrium® M54® présente une composition chimique optimisée, basée sur 40 ans d’évolution et de développement des aciers à durcissement secondaire à précipitation de carbures M2C. Le compromis de propriétés Rm/KIC/KISCC obtenu par la nuance M54® permet d’envisager son utilisation dans les trains d’atterrissage d’avions gros porteurs. Cependant, les premiers essais mécaniques, réalisés par l’utilisateur pour la montée en maturité de la nuance, ont montré une variabilité des propriétés mécaniques suivant le traitement thermique appliqué. Ce travail de thèse s’applique donc à décrire les évolutions microstructurales au cours du traitement thermique de la nuance M54® et les impacts sur les propriétés mécaniques en se concentrant notamment sur le traitement par le froid. Les différentes conditions de mise en solution et de revenu testées ont montré une certaine stabilité de la précipitation au revenu et des propriétés mécaniques qui en découlent. La précipitation a été caractérisée à différentes échelles afin de la comparer avec celle issue des nuances de la même famille. En revanche, selon les conditions de traitement par le froid réalisées, la limite d’élasticité varie de manière significative sans qu’aucun des paramètres liés à la précipitation ne soient modifiés. Le taux d’austénite est en revanche un paramètre déterminant pour la limite d’élasticité et est très sensible aux conditions de traitement par le froid : temps et température entre la trempe à l’huile et le traitement cryogénique et température de traitement cryogénique. Un traitement thermique amélioré a ainsi été proposé pour obtenir un taux d’austénite réduit et constant et limiter ainsi les variations de limite d’élasticité. / Ferrium® M54® steel presents an optimized composition, based on 40 years of research and development on secondary hardening steels. This alloy exhibits an excellent Rm/KIC/KISCC balance that allows considering its use in landing gears applications of wide-body aircrafts in the future. However, initial mechanical tests performed by the end-user have shown variability in mechanical properties depending on the applied heat treatment. The main goal of this work is to describe the microstructural evolutions of the alloy M54® during heat treatment and their impact on the resulting mechanical properties with a specific focus on the effect of the cryogenic treatment.The different austenitizing and tempering conditions investigated have shown a stability of the tempering precipitation and mechanical properties. This precipitation has been characterized at different scales and compared with other grades of the same family. On the other hand, depending on cryogenic treatment conditions, a significant variation of the mechanical properties and in particular of the yield strength is observed without any modification in the precipitation distribution and volume fraction or size. Austenite content is critical for the yield strength and is very sensitive to the cryogenic treatment conditions: time and temperature before cryogenic treatment and temperature of cryogenic treatment. An improved heat treatment to obtain reduced and constant austenite content is proposed.

Le développement des micro- et nano- technologies est aujourd'hui dépendant de la connaissance du comportement mécanique des couches minces constitutives de ces dispositifs. La caractérisation expérimentale des matériaux est primordiale car les propriétés mécaniques se trouvent, à une telle échelle, fortement dépendantes de l'historique de la couche et de sa microstructure. D'autre part, la mise en œuvre de ces couches minces est multiple. Cette thèse présente une approche transversale, s'articulant autour de techniques de nanoindentation, pour caractériser des couches déposées sur substrat, et de traction uniaxiale applicable à des couches minces autoportantes d'épaisseur submicronique. Elle s'appuie notamment sur un concept de platine de microtraction nomade qui a été amélioré et évalué à l'aide d'une mise en œuvre sur des éprouvettes en aluminium pulvérisé d'épaisseur variant entre 700nm et 1,5µm et des éprouvettes d'or électrolytique de 4µm d'épaisseur.

Cette étude est dédiée à l'influence du fraisage de finition avec outil à extrémité hémisphérique sur l'intégrité de surface et la durée de vie en fatigue de pièces en acier bainitique à haute limite d'élasticité. L'intégrité de surface - microgéométrie, contraintes résiduelles et écrouissage - est caractérisée expérimentalement pour différentes valeurs des paramètres d'usinage, dont l'angle d'inclinaison de l'outil. L'hétérogénéité du champ de contraintes résiduelles perpendiculairement aux sillons générés par l'outil est mise en évidence à différentes profondeurs. Des essais de fatigue en flexion sur éprouvettes brutes d'usinage ou polies, avec ou sans traitement thermique de relaxation des contraintes résiduelles, mettent en évidence l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Des essais de fatigue en traction avec mesures d'auto-échauffement mettent en évidence une compétition entre mécanismes de micro-plasticité et de micro-fissuration. Une approche hybride est proposée pour prévoir l'état mécanique de la pièce usinée après fraisage. L'effet sur la surface usinée d'un chargement thermo-mécanique équivalent à l'opération de coupe et déduit d'essais d'usinage instrumentés est alors simulé numériquement sans modéliser l'enlèvement de matière. Une approche probabiliste est proposée pour prévoir l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Cette approche, restreinte au cas où le mécanisme de microfissuration est prédominant est validée grâce à la prise en compte de la microgéométrie. Le modèle est alors de type mécanique de la rupture et basée sur une mesure de la population de tailles d'entaille au fond des creux générés par l'outil.

Les alliages conducteurs à haute tenue mécanique sont utilisés dans de nombreux domaines tels que le transport, l'énergie et l'industrie électronique. La demande en ces matériaux est croissante. Les alliages Cu-Be constituent à l'heure actuelle les matériaux conducteurs les plus résistants mais posent un problème de toxicité et de coût. Pour proposer une alternative à ces derniers, nous avons étudié des alliages Cu-Mg hypo-eutectiques. Deux voies de synthèse ont été utilisées afin d'obtenir des composites endogènes possédant une combinaison originale de propriétés structurelles et fonctionnelles : le refroidissement conventionnel et la solidification rapide par melt-spinning. Les microstructures obtenues ont en commun la présence d'agrégats eutectiques et diffèrent principalement par la dimension des paramètres métallurgiques tels que la taille de grains et la distance interlamellaire. Les systèmes présentent des forces motrices de transformation de phases importantes conduisant à une précipitation au cours d'un maintien thermique. L'investigation des propriétés mécaniques et électriques des alliages Cu-Mg montre que ces dernières égalent celles des alliages Cu-Be. En complément de l'approche expérimentale, nous avons adapté deux modèles : un modèle thermocinétique pour décrire l'évolution temporelle de la microstructure qui a lieu à haute température et un modèle mécanique permettant de rationaliser l'influence des paramètres microstructuraux sur les propriétés mécaniques et électriques.

Dans la présente étude, la conductivité thermique et le module d'élasticité de revêtementsd'YPSZ élaborés par projection plasma ont été prédits par modélisations numériques 2D et3D de type différences finies et éléments finis.L'influence de la résolution d'image, de la taille et de la valeur du seuil sur les propriétésprédites du revêtement a été étudiée. En outre, les effets de la méthode numérique et du typede condition aux limites ont été étudiés. En particulier, la quantification de l'effet Knudsen(effet de raréfaction) sur le transfert de chaleur à travers une structure poreuse a été réaliséepar modélisation numérique en combinaison avec l'analyse d'image. Les conductivitéseffectives obtenues par modélisation 3D s'avèrent plus élevées que celles obtenues en 2D, etaussi en meilleur accord avec les résultats mesurés. Une corrélation 2D/3D a été trouvéepour la modélisation de la conductivité thermique : cette corrélation permet de prédire lesvaleurs 3D à partir des valeurs calculées en 2D.

En sciences et dans l'industrie pour limiter le nombre de maquettes expérimentales dans les projets R&D afin de mieux comprendre et de bien interpréter les phénomènes ultrasonores complexes observés sur site, des simulations de contrôles ultrasonores sont effectuées. Ces simulations sont d'autant plus réalistes que la description des structures à contrôler est précise, en particulier au niveau des constantes d'élasticité et d'atténuation intrinsèque. Les objectifs de cette étude sont d'améliorer d'une part les connaissances sur l'influence des caractéristiques métallurgiques des matériaux anisotropes et hétérogènes sur la propagation ultrasonore et d'autre part les performances des codes de calcul (logiciel ATHENA d'EDF) qui nécessitent de disposer des données d'entrée pertinentes, notamment en ce qui concerne les constantes d'élasticité et l'atténuation ultrasonore. Cette étude est dédiée à la caractérisation des matériaux à gros grains, comme les aciers austéno-ferritiques moulés par centrifugation et les soudures en acier inoxydable austénitique ou en alliages à base nickel. Un système expérimental unique permettant de mesurer les constantes d'élasticité et l'atténuation en incidence oblique à été mis au point. Le point fort de ce dispositif est qu'il permet de travailler au-delà de l'angle critique longitudinal et donc de mesurer les propriétés d'atténuation des ondes transversales. Les constantes d'élasticité sont déduites des vitesses ultrasonores à partir d'un processus d'optimisation basé sur la résolution de problème inverse. Nous avons montré les potentialités d'algorithmes d'optimisation globaux tels que les algorithmes génétiques moins susceptibles de converger vers des minima locaux de la fonction à minimiser. Les résultats obtenus à partir des mesures expérimentales sont en accord avec la littérature. Des résultats de l'atténuation des ondes longitudinales et transversales par décomposition du faisceau en spectre d'ondes planes sont présentés.

Au cours de cette thèse ont été développées de nouvelles techniques de mesure des propriétés mécaniques par nanoindentation, adaptées à des conditions expérimentales difficiles : les très faibles enfoncements, les surfaces rugueuses, et la température. Une simulation numérique par éléments finis d'un échantillon de silice chauffé à 80°C, indenté par un diamant Berkovich dont la température initiale est de 25°C, dans de l'air à 60 °C, a mis en évidence la nécessité de chauffer l'indenteur. De plus, les essais expérimentaux à haute température effectués sur ce même échantillon ont permis de montrer que le signal de déplacement de l'indenteur est fortement perturbé par de faibles variations de température (<0,1°C), rendant le calcul des propriétés mécaniques imprécis avec la technique de mesure classiquement utilisée en nano-indentation. Une nouvelle technique, reposant sur la mesure de l'amplitude de la seconde harmonique du signal de déplacement, a été développée pendant cette thèse. Elle permet la détermination des propriétés mécaniques indépendamment de la mesure de l'enfoncement. Elle est donc adaptée pour des tests à haute température. Elle été expérimentée sur des matériaux homogènes (silice, PMMA), sur un matériau (monocristal de calcite) possédant une dureté plus élevée en surface (Indentation Size Effect), et sur des couches minces de PMMA déposées sur un substrat de silicium, à température ambiante. Les résultats ont montré que les propriétés mécaniques sont mesurées de façon plus précise aux faibles enfoncements. Les essais expérimentaux sur la calcite ont mis en évidence que l'Indentation Size Effect observé sur cet échantillon est mieux détecté avec la technique de la seconde harmonique. Elle permet aussi de calculer la pénétration de l'indenteur a posteriori. Une seconde technique de mesure des propriétés mécaniques, reposant sur le calcul de la dérivée de la hauteur de contact en fonction de la pénétration, a été développée. Elle permet une mesure des propriétés mécaniques des matériaux par nano-indentation plus précise que la méthode classique à température ambiante aux faibles pénétrations. Les mesures sont aussi améliorées sur les échantillons rugueux et pour les essais réalisés à haute température.

Si un métal est soumis à un chargement cyclique autour d'une contrainte moyenne non nulle, de la déformation plastique peut s'accumuler au cours des cycles, généralement dans la direction de la contrainte moyenne : c'est le phénomène de déformation progressive ou phénomène dit de rochet.<br />Le contexte de cette thèse était l'amélioration de la description de ce phénomène dans les structures métalliques. Pour cela, nous avons choisi d'axer nos efforts sur les modèles macroscopiques phénoménologiques qui décrivent le comportement de matériaux dans des calculs de structure.<br />Comme cela était suggéré dans plusieurs articles récents, une voie d'amélioration de ces modèles était de prendre en compte la distorsion du domaine d'élasticité, phénomène maintes fois observé expérimentalement, mais jusqu'alors négligé par soucis de simplicité. Pour introduire convenablement ce nouvel ingrédient dans la modélisation, nous nous sommes appuyés sur un dialogue entre un modèle micro-macro d'une part (plus pertinent mais aussi plus coûteux en temps de calcul) et le modèle macroscopique à construire d'autre part. Nous avons sû tirer profit des informations données par le modèle micro-macro pour constuire un modèle macroscopique capable de décrire à la fois le phénomène de rochet multiaxial et la distorsion du domaine d'élasticité prévus par le modèle micro-macro, et ce sur une large base d'"essais virtuels". Ensuite, le modèle développé a été identifié et validé avec succès sur plusieurs résultats d'essais complexes obtenus sur un élément de volume d'un matériau réel. Une validation finale du modèle sur un essai non-homogène (de structure) est en cours d'étude.

On considère l'évolution adiabatique des états vitreux sous perturbations extérieures. Bien que le formalisme que nous utilisons soit très général, nous nous concentrons ici sur les sphères dures en dimension infinie où une analyse exacte est possible. Nous considérons perturbations de la frontière, notamment compression ou cisaillement simple et nous calculons la réponse des états vitreux à ces perturbations : pression et contrainte de cisaillement. Nous constatons un dépassement des deux quantités avant que l'état vitreux ne devienne instable à un point spinodal, où il fond dans le liquide (ou cède). Nous estimons également la limite d'élasticité du verre. Enfin, nous étudions la stabilité des bassins vitreux vers la rupture en sous-bassins, correspondant à une transition de Gardner. Nous constatons que près de la transition dynamique, les verres subissent une transition de Gardner après une perturbation infinitésimale. Nous étudions ensuite le régime de haute pression et haut cisaillement au-delà de la transition de Gardner. / We consider the adiabatic evolution of glassy states under external perturbations. Although the formalism we use is very general, we focus here on infinite-dimensional hard spheres where an exact analysis is possible. We consider perturbations of the boundary, i. e. compression or (volume preserving) shear-strain, and we compute the response of glassy states to such perturbations: pressure and shear-stress. We find that both quantities over shoot before the glass state becomes unstable at a spinodal point where it melts into a liquid (or yields). We also estimate the yield stress of the glass. Finally, we study the stability of the glass basins towards breaking into sub-basins, corresponding to a Gardner transition. We find that close to the dynamical transition, glasses undergo a Gardner transition after an infinitesimal perturbation. We then study the high-pressure and high-strain regime beyond the Gardner transition.

Dans la présente étude, la conductivité thermique et le module d'élasticité de revêtementsd’YPSZ élaborés par projection plasma ont été prédits par modélisations numériques 2D et3D de type différences finies et éléments finis.L'influence de la résolution d'image, de la taille et de la valeur du seuil sur les propriétésprédites du revêtement a été étudiée. En outre, les effets de la méthode numérique et du typede condition aux limites ont été étudiés. En particulier, la quantification de l'effet Knudsen(effet de raréfaction) sur le transfert de chaleur à travers une structure poreuse a été réaliséepar modélisation numérique en combinaison avec l'analyse d'image. Les conductivitéseffectives obtenues par modélisation 3D s'avèrent plus élevées que celles obtenues en 2D, etaussi en meilleur accord avec les résultats mesurés. Une corrélation 2D/3D a été trouvéepour la modélisation de la conductivité thermique : cette corrélation permet de prédire lesvaleurs 3D à partir des valeurs calculées en 2D. / In the present study, the thermal conductivity and elastic modulus of thermal spray YPSZcoatings were predicted by 2D and 3D finite differences and finite elements numericalmodeling based on cross-sectional images.The influence of the image resolution, size and threshold on the predicted properties of thecoating was studied. Moreover, the effects of the numerical method and of the boundarycondition were investigated. In particular, the quantification of the Knudsen effect(rarefaction effect) on the heat transfer through a porous structure was realized by numericalmodeling in combination with image analysis. The predicted thermal conductivities obtainedby 3D modeling were found to be higher than those obtained by 2D modeling, and in betteragreement with the measured results. A 2D/3D correlation was sucessfully found for themodeling of thermal conductivity: this correlation allows predicting 3D computed valuesfrom 2D ones.