Les fils d’acier perlitiques tréfilés ont une limite à rupture en traction qui peut dépasser 4000 MPa. Ils sont ensuite assemblés sous forme de câble, avec des contraintes de traction – torsion – flexion, où les plus résistants peuvent présenter un manque de ductilité.La première partie de ce travail permet d’identifier que la torsion est la sollicitation mécanique la plus critique, et la délamination le mode de rupture associé. Le mécanisme de rupture par délamination en torsion est ensuite étudié, à partir de la compréhension de l’influence du tréfilage sur les contraintes résiduelles, les défauts et fissures en surface, le type de microstructure et les textures. Cette approche démontre l’existence d’une taille de défauts et d’une contrainte critiques pour l’apparition de fissures de délamination. Les phénomènes de déformation et de rupture sont finalement décrits à l’échelle de la microstructure. Trois étapes sont nécessaires à la délamination : la localisation de la déformation et une fissuration longitudinale, la propagation d’une fissure instable dans la section, et la propagation longitudinale de la fissure. Si la première étape est associée aux imbrications des microstructures en « ciels de Van Gogh » et à l’anisotropie de structure, la seconde étape est plus directement liée aux niveaux de contraintes dans les zones de localisation en cisaillement et à la taille des défauts propagés. La dernière étape résulte des contraintes de cisaillement en jeu et de l’anisotropie microstructurale.En conclusion, la mise en évidence des étapes d’amorçage et de propagation des fissures permet de prouver l’impact du champ de contraintes résiduelles et de la taille des défauts sur la délamination en torsion des fils perlitiques tréfilés, et d’identifier le rôle essentiel de la microstructure à l’échelle locale. Une des perspectives serait alors la recherche de microstructures moins sensibles à la localisation de la déformation, ainsi que la propagation de fissures. / Drawn pearlitic steel wires have a remarkable tensile strength, which can reach 4000 MPa. After drawing, however, wires have to pass through the cabling step where they undergo traction – torsion – bending solicitations. Under such loading conditions the wires that are the most effective in tension tend to lack ductility.First, torsion was identified as the most critical solicitation, and delamination as the associated rupture mode. Then, the formation of delamination cracks in torsion was examined, as well as the impact of some drawing parameters on properties influencing the formation of cracks, such as residual stresses, defects and cracks on the wire surface, microstructure type and textures. Conclusions were drawn on the existence of a critical defect size and residual stress level for the propagation of a delamination crack transverse to the wire section. A study at the microscopic scale showed three successive steps to be needed for a delamination crack to propagate: shear localization accompanied with longitudinal cracking, unsteady crack propagation across the wire’s cross-section and longitudinal crack propagation. A curled microstructure, also named “Van Gogh skies”, in addition to structural anisotropy make shear deformation in the wire section difficult, and thus favor localization. The stability of the crack across the section is most influenced by macroscopic mechanical parameters such as stress level in localization’s zones and size of propagated cracks. The last longitudinal propagation step is more related to the torsional shear stress and to the microstructural anisotropy.In conclusion, a phenomenology for delamination of high strength pearlitic steel wires was outlined. It allows one to demonstrate the impact of the residual stress field and of the crack size in addition to identifying the influence of the microstructure. An interesting future perspective of this study could be the investigation of microstructures less sensitive to shear localization and to crack propagation.

Cette thèse porte sur l'élasticité des corps minces bidimensionnels. Nous insistons sur les rapports entre les équations de l'élasticité et la géométrie. Nous envisageons tout d'abord le cas des coques, qui sont définies comme les corps élastiques minces possédant une courbure au repos. On sait que le comportement élastique d'une coque est largement conditionné par la rigidité infinitésimale de sa surface moyenne : selon qu'il est possible ou non de déformer cette surface tout en conservant les longueurs de toutes les courbes inscrites, on dira que la coque est isométriquement déformable, ou inhibée. Nous interprétons la classification des surfaces de révolution due à Cohn-Vossen, et la généralisons aux surfaces quelconques. Nous mettons en évidence des courbes rigidifiantes. Nous considérons ensuite la délamination des films minces comprimés : sous certaines conditions mécaniques, ces films se décollent du substrat auxquels ils adhéraient. Nous étudions la fracture de l'interface film/substrat au moyen d'un modèle de fissure avec frottement de Coulomb entre les lèvres. Des motifs de délamination en forme de fil de téléphone ont été largement observés expérimentalement. Nous les interprétons comme le résultat d'un flambage élastique secondaire dans les équations de Föppl–von Kármán. Enfin, nous montrons que la structure des équations de Föppl–von Kármán d'une part, et les propriétés de la fissure interfaciale d'autre part, permettent d'expliquer la stabilité des cloques de délamination.

Les matériaux composites sont utilisés dans beaucoup de domaines pour leurs propriétés mécaniques spécifiques, leur mise en forme facile et leur bas coût. Cependant, lorsque les composites pétro-sourcées sont en fin de vie, le traitement des déchets a un fort impact environnemental. C’est pour cette raison que les industriels se tournent vers des matériaux bio-sourcés. Ils souhaitent ainsi abaisser le coût des matières premières mais aussi se donner une image plus « verte » grâce à l’utilisation de matériaux renouvelables et/ou compostables. Le projet présenté s’inscrit dans dans cette optique où il est question d’élaborer de nouveaux composites à renfort et matrices bio-sourcés et tout particulièrement des composites fibre de lin/acide polylactique (PLA). Ces derniers sont généralement appelés bio-composites. L’originalité de cette étude réside dans le traitement des fibres de lin afin de les compatibilité avec la matrice PLA. Le traitement consiste au greffage de dioxyde de titane sur la surface de fibres de lin fonctionnalisée par oxydation au TEMPO. Ces fibres longues sont ensuite utilisées comme renfort sous forme de tissu unidirectionnel dans la matrice PLA. Le comportement mécanique en traction, flexion et la résistance à l’impact de ces biocomposites sont étudiés afin d’analyser l’influence du traitement des fibres sur leur performances.

Ce travail s’intéresse au renforcement mécanique de films lubrifiants auto-assemblés en milieu aqueux par réticulation. Deux stratégies ont été suivies. La première consiste à réticuler physiquement un film de tensioactifs cationiques par coadsorption d’un copolymère associatif anionique. La deuxième est de réticuler chimiquement un film de copolymères triblocs par la création de liaisons covalentes entre les différentes macromolécules. Nous étudions l’auto-assemblage des films par microbalance à cristal de quartz et microscopie à force atomique (AFM). Nous discutons ensuite les effets de la réticulation sur la morphologie des films (caractérisée par AFM), et sur leurs propriétés mécaniques mesurées avec l’appareil à mesure de force SFA-nanotribomètre. Cette étude a montré que dans les deux cas, la réticulation modifie les propriétés des films lubrifiants et permet une augmentation de la cohésion des films adsorbés. / In this work, we study the effect of cross-linking on boundary lubricant films in aqueous media. Two strategies have been followed. First, we investigate a physical network on a cationic surfactant bilayer by coadsorption of an anionic copolymer. Secondly a tribloc copolymer film was chemically cross-linked by creating some chemical bounds between macromolecules. We study film self-assembling by Quartz Crystal Microbalance and Atomic Force Microscopy. We discuss then on the effect of cross-linking on the morphology of the film and its mechanical properties by combining AFM and Surface Force Apparatus SFA-nanotribometer. We have shown that in both cases, lubricant films properties are modified and the cohesion of the adsorbed films is increased by cross-linking.

Les films minces sont abondamment utilisés pour protéger ou fonctionnaliser les surfaces. Les contraintes mécaniques peuvent cependant entraîner la ruine de ces structures par la propagation de fissures ou leur décollement. Nous présentons deux systèmes expérimentaux qui amènent à s'interroger sur les limites de validité des critères de stabilité communément admis. Pour une couche de sol- gel présentant une énergie d'adhésion modérée avec son substrat de silicium, nous observons la propagation de fissures dans des films réputés stables. Les motifs de propagation sont étonnement réguliers (en forme de spirales ou d'allées de croissants). Nous caractérisons expérimentalement cette propagation. Nous mettons en évidence un nouveau mode de propagation de fissure où la délamination et la fissure transverse collaborent. Nous montrons l'existence d'une taille d'interaction robuste entre fissures indépendantes du chargement et des énergies de rupture. Nous proposons un modèle simple permettant de prédire les conditions de propagation et la sélection des motifs. Nous caractérisons enfin la dynamique de propagation de telles fissures. Dans un second système expérimental motivé par les applications en électronique flexible, nous nous intéressons à des films nanométriques d'oxyde de zinc déposés sur des substrats de polymère. La rigidité du substrat est alors faible devant celle de la couche. Nous décrivons la fragmentation du film et proposons une extension d'un modèle de couche élastique sur fondation élasto-plastique. Enfin, nous nous intéressons à la compression et à la fragmentation d'un multicouche comportant une fine épaisseur d'argent. / Nanometer to micrometer thin film coatings are extensively used in material science to protect and functionalize surfaces. Coating processes however generally result into residual strains and may induce the propagation of cracks with dramatic consequences on film reliability. We present two experimental models which challenges the usual stability criteria for thin films. For a thin sol-gel layer moderatly adherent to a silicon substrate, we observe fracture propagation in coatings considered stable. Moreover, intriguing cracks of regular geometry are found to self-replicate an initial triggering pattern independently from the local material properties. We present a novel mode of fracture which involves the simultaneous progression of both, a crack and a front of delamination. We describe the fracture mechanism with universal energy arguments and provide a simple model describing the crack path. We eventually characterize the dynamics of the propagation. In a second model experiment, we study the fragmentation of coating deposited on a compliant substrate (motivated by flexible electronics application). We describe the fragmentation and propose an extension to an elastic layer deposited on an elastic foundation to an elasto-plastic case. Eventually, we study the compression and fragmentation of a zinc oxyde and silver multilayer

Cette étude, basée sur la surveillance des ondes d'émission acoustique (E.A.), présente le développement d'une approche de prédiction de l'initiation de la délamination de pièces composites soumises à des chargements statiques et en fatigue. La surveillance des ondes d'E.A. fait parti d'un nombre restreint de méthodes pouvant détecter, en continu, l'apparition et la croissance de dommages dans les matériaux composites. L'approche est comparée à des méthodes conventionnelles ainsi qu'à une modélisation numérique pour des composites à fibre de carbone unidirectionnels et tissés, sur une gamme de rapports de mode mixte. Le présent mémoire met en lumière les différentes étapes abordées durant l'étude. L'utilisation des matériaux composites est mise en contexte au premier chapitre. La complexité des matériaux composites ainsi que la nécessité de modèles de prédiction fiables sont soulignées. Le deuxième chapitre contient une revue de la littérature et présente les outils disponibles pour analyser le délaminage et bâtir un modèle prédictif de sa propagation. Les sujets traités sont la délamination dans un contexte de mécanique de la rupture, la modélisation numérique d'une propagation de fissure, l'approche du monitorage par émission acoustique puis l'analyse fractographiques des surfaces de rupture. Les résultats des essais mécaniques et de la modélisation sont présentés sous forme d'article dans le troisième chapitre. Des essais statiques et en fatigue ont permis de calculer le taux de restitution d'énergie de déformation à l'initiation de la délamination selon des méthodes classiques pour ensuite les comparer à une méthode développée, basée sur le suivi des ondes d'émission acoustique. Une série d'essais de propagation de la délamination en fatigue ont permis d'observer des corrélations entre les émissions acoustiques, la longueur de la délamination, la vitesse de croissance des fissures et la sévérité du chargement. Finalement, une méthodologie de reconnaissance des formes non supervisée est présentée afin de discriminer les signaux d'E.A. d'amorçage et de propagation de fissure du bruit associé à la fatigue.

Ce travail présente une approche de prédiction de l’initiation de l’endommagement en fatigue au sein d’un matériau composite à renfort tissé comportant un défaut artificiel entre ses couches. Une technique de surveillance qui est l’émission acoustique est utilisée afin d’enregistrer l’historique de l’endommagement que subit le matériau durant l’essai. L’exploitation des données de l’émission acoustique va permettre de générer des courbes de fatigue et d’établir un modèle de prédiction du début de l’endommagement autour du défaut. Le mémoire va présenter dans son premier chapitre une vue globale sur les motivations et objectifs ainsi que les défis soulevés par ce projet de recherche. On y expose aussi l’importance d’avoir un modèle de prédiction de l’initiation en fatigue de l’endommagement globalement et de la délamination plus particulièrement au sein d’un composite ayant un défaut artificiel. Le deuxième et le troisième chapitre constituent l’état de l’art du sujet contenant les outils et informations utiles pour l’établissement de l’approche de prédiction. Le deuxième chapitre contient des notions sur les modes d’endommagement en fatigue des composites tissés et sur la mécanique de la rupture ainsi que les résultats des travaux de modélisation numérique par Ansys APDL. L’émission acoustique (EA) est mise en avant dans le troisième chapitre comme étant une technique de surveillance de l’état de santé des structures en fonctionnement. Les différents aspects de l’émission acoustique y seront détaillés. D’abord, les notions préliminaires de propagation des ondes de Lamb dans les plaques composites minces seront traitées suivies des méthodes de traitement des données EA pour la séparation entre les mécanismes de rupture. Ensuite, un paragraphe sera consacré pour la localisation des sources d’endommagement générant des ondes d’émission acoustique. Les résultats et la méthodologie utilisée pour la génération des courbes de dispersion du matériau testé seront décrits aussi dans le troisième chapitre. Les résultats des essais mécaniques réalisés, l’établissement des courbes de durée de vie en fatigue et d’initiation de l’endommagement par émission acoustique et la méthode de filtrage de données EA proposée, seront présentés sous forme d’un article scientifique dans le quatrième chapitre. Le choix des capteurs EA ainsi que les différents essais de calibration du dispositif feront l’objet du cinquième chapitre.

Ce travail s'intéresse au renforcement mécanique de films lubrifiants auto-assemblés en milieu aqueux par réticulation. Deux stratégies ont été suivies. La première consiste à réticuler physiquement un film de tensioactifs cationiques par coadsorption d'un copolymère associatif anionique. La deuxième est de réticuler chimiquement un film de copolymères triblocs par la création de liaisons covalentes entre les différentes macromolécules. Nous étudions l'auto-assemblage des films par microbalance à cristal de quartz et microscopie à force atomique (AFM). Nous discutons ensuite les effets de la réticulation sur la morphologie des films (caractérisée par AFM), et sur leurs propriétés mécaniques mesurées avec l'appareil à mesure de force SFA-nanotribomètre. Cette étude a montré que dans les deux cas, la réticulation modifie les propriétés des films lubrifiants et permet une augmentation de la cohésion des films adsorbés.

Les films minces sont abondamment utilisés pour protéger ou fonctionnaliser les surfaces. Les contraintes mécaniques peuvent cependant entraîner la ruine de ces structures par la propagation de fissures ou leur décollement. Nous présentons deux systèmes expérimentaux qui amènent à s'interroger sur les limites de validité des critères de stabilité communément admis. Pour une couche de sol- gel présentant une énergie d'adhésion modérée avec son substrat de silicium, nous observons la propagation de fissures dans des films réputés stables. Les motifs de propagation sont étonnement réguliers (en forme de spirales ou d'allées de croissants). Nous caractérisons expérimentalement cette propagation. Nous mettons en évidence un nouveau mode de propagation de fissure où la délamination et la fissure transverse collaborent. Nous montrons l'existence d'une taille d'interaction robuste entre fissures indépendantes du chargement et des énergies de rupture. Nous proposons un modèle simple permettant de prédire les conditions de propagation et la sélection des motifs. Nous caractérisons enfin la dynamique de propagation de telles fissures. Dans un second système expérimental motivé par les applications en électronique flexible, nous nous intéressons à des films nanométriques d'oxyde de zinc déposés sur des substrats de polymère. La rigidité du substrat est alors faible devant celle de la couche. Nous décrivons la fragmentation du film et proposons une extension d'un modèle de couche élastique sur fondation élasto-plastique. Enfin, nous nous intéressons à la compression et à la fragmentation d'un multicouche comportant une fine épaisseur d'argent.

La maîtrise de la fabrication de films de suspension colloïdale par évaporation constitueencore à ce jour, un véritable verrou scientifique pour l’élaboration des matériaux. Le séchage desuspensions colloïdales entraine souvent des défauts de surface et de volume dans le film. Lorsque lesparticules sont molles, les films sont continus mais présentent des défauts de plissement de surface.Lorsque les particules sont dures (latex vitreux, silice..), le film se fissure et se délamine. Ces défautssont souvent liés aux contraintes résiduelles dans le gel à la fin du séchage qui sont dues à la pressioncapillaire causée par la déformation des ménisques d’eau à la surface des films. Par contre on neconnait pas encore l’échelle de taille où agit la contrainte ni la relation entre la contrainte et la périodedes craquelures.Dans ce travail de thèse, nous étudions la morphologie des craquelures dans des films dedivers mélanges de suspensions colloïdales, élaborés par séchage. Ces mélanges sont composés departicules dures (polystyrène et PBMA réticulés) et molles (PBA et PBMA). La structurenanométrique de ces mélanges est caractérisée par diffusion de neutron et par turbidité. Nousdisposons de mélanges avec diverses structures et divers états de dispersion. Certains mélangescontiennent des particules dispersées à l’échelle nanométrique (l’ordre de grandeur est celle de la tailledes particules - 50 nm) alors que d’autres contiennent des particules agrégées. L’étude de lamorphologie des craquelures est réalisée sur des gouttes sessiles avec séchage à la surface libre. Descraquelures radiales périodiques sont observées lors du séchage. Nous observons que la période descraquelures augmente avec l’augmentation de la fraction en particules molles et de la température maistoute en conservent la périodicité. Nous avons mis en évidence que le rapport : période des craqueluressur l’épaisseur des films λ/h est le seul paramètre qui décrit parfaitement la morphologie descraquelures pour un séchage au niveau d’une surface libre. Nous avons aussi démontré que ce rapportλ/h ne peut pas descendre au-dessous de 2 même dans le cas de particules vitreuses. Le séchage induitde fortes contraintes résiduelles dans le gel qui permettent à certaines fibres situées entre deuxcraquelures de délaminer radialement. Ce phénomène de délamination s’estompe avec la dissipationdes contraintes. Nous avons démontré que le modèle mécanique de Russel ne permet pas de décrire lapériode de craquelures loin de la contrainte critique. Nous proposons ainsi dans le cadre de notretravail, un autre modèle plus à même à caractériser la périodicité de ces craquelures. Nous avonsremarqué que les propriétés du substrat n'ont aucune incidence sur la morphologie des craquelures. Letaux d'évaporation modifie la morphologie des craquelures, où dans le cas d’un séchage rapide, onobtient des fibres décollées longues unidirectionnelles tandis que pour le cas d’un séchage lent, onassiste à la formation de craquelures non décollées avec apparition de craquelures secondairestransverses. / Controlling the production of colloidal suspension films by evaporation is still, nowadays, atruly scientific obstacle for materials development. The drying of colloidal suspensions leads often tosurface and volume defects in the film. When the particles are soft, films are continuous but haveseveral folding surface defects. However, when the particles are hard (glassy latex, silica,...), the filmtends to crack and to be delaminated. These defects are often associated with residual stresses in thegel at the end of drying, due to the capillary pressure caused by the water menisci deformation at thefilm surface. Nevertheless, neither the size scale where constraint acts nor the relation between stressand cracking time were known.In this thesis we present the study of cracks morphology observed in films of differentcolloidal suspension mixtures obtained by a drying process. These mixtures are composed of hard(polystyrene crosslinked PBMA) and soft (PBA and PBMA) particles. The nanometric structure ofthese mixtures is obtained through neutron scattering and turbidity studies. We have mixtures withdifferent structures and different states of dispersion. While some mixtures contain dispersed particlesat a nanoscale, with an order of magnitude same as the particles size - 50 nm, some others containaggregated particles. The study of cracks morphology is performed on sessile drops by drying at thefree surface. Periodic radial cracks are observed during drying. We also observe that cracks periodincrease with the increment of soft particles fraction and temperature, but keeping constant itsperiodicity. We have demonstrated that the ratio: crack period between film thickness, i.e. λ/h, is theonly parameter that describes perfectly cracks morphology for a drying process at a free surface. Wealso demonstrated that this relation (λ/h) couldn’t decrease below 2 even in the case of glassy particles.Drying process induces high residual stresses in the gel, allowing to some fibers located between twocracks to delaminate radially. This delamination phenomenon fades with dissipation constraints. Wehave also established that the Russel’s mechanical model does not describe the period of cracks nearthe critical stress. Therefore, in this work we propose another model able to characterize theperiodicity of the cracks. We noticed that the properties of the substrate did not affect cracksmorphology. The evaporation rate changes the morphology of cracks, which in the case of a quickdrying it is possible to obtain unidirectional long loose fibers. However, for a slow drying, we arewitnessing the formation of not protruding cracks with the apparition of secondary transverse cracks.