Lithium ion batteries (LIBs) have gained increasing popularity due to their high potential, low self-discharge, zero priming and minimal memory effect. However, the emergence of electrical vehicles and hybrid electrical vehicles in the automobile industry, where LIBs are predominantly in use, instilled a need to improve LIB batteries by experimenting with new materials. Graphite, the commonly used anode material for LIBs suffers from low theoretical capacity (372 mA h g-1) and torpid rate performance. Germanium (Ge) seems to be a promising substitute of carbon due to its high theoretical capacity, high Li+ diffusivity and electrical conductivity. However, Ge undergoes large volumetric change (±370%). This causes deboning of the thin film Ge electrode from the substrate current collector, causing a rapid decrease in the electrolytic performance. The process of ion beam mixing claims to have overcome this problem. In our current study, the adhesion strength of Ge thin film over Nickel (Ni) substrate (with and without ion beam mixing) is being measured using nanoindentation and the superlayer indentation test. Nanoindentation is one of the popular techniques to measure the mechanical properties and adhesion of thin film coatings. In this technique, a very small indenter of a desired geometry indents the film/substrate pair and the work of adhesion is calculated by knowing the plastic depth of indentation and the radius of indentation. Superlayer indentation is analogous to normal indentation but with a highly stressed superlayer on top to restrict the out-of-plane displacements, it reduces the plastic pile up around the indenter tip. The results from our study strongly suggest the possibility of dramatically increasing the adhesion strength by ion bombardment, which can be achieved by atomic level intermixing of the film/substrate pair. These, in turn, suggest that Ge could be an effective successor to graphite in the near future.

L'objectif de cette thèse est de proposer une modélisation du comportement des matériaux ductiles permettant de mener des simulations robustes, c'est à dire sans dépendance au maillage, jusqu'à rupture. L'approche proposée dans ce travail repose sur la notion de variable à taux limité (limiteur temporel de localisation) : la rupture est vue comme un phénomène fortement dynamique et les modèles à taux limités visent à contrôler cette dynamique. Un modèle "d'épuisement plastique à taux limité" est ainsi proposé, permettant de modéliser en grandes déformations (phénomène de striction) l'initiation et la propagation de fissures dans des structures métalliques sollicitées en dynamique. Le modèle présente l'avantage d'être facilement utilisable dans le cadre d'une formulation EF classique, car il reste local. L'inconvénient principal de l'approche proposée est de nécessiter des calculs en dynamiques, tout au moins pour la phase de rupture. Des simulations menées avec le code ABAQUS/Explicit en contraintes planes avec le modèle" d'épuisement plastique à taux limité", permettent de confirmer les résultats théoriques obtenus par le modèle proposé et en particulier l'indépendance des résultats au maillage (taille et orientation). Ces simulations permettent d'identifier un jeux de paramètres matériaux à l'aide de comparaisons avec des essais dynamiques sur éprouvettes trouées, filmés à l'aide d'une caméra rapide et analysés par corrélation d'image. La validation des capacités prédictives du modèle est alors illustrée par confrontation entre des simulations numériques et des résultats expérimentaux obtenus sur éprouvettes lisses.

La résistance à la rupture des polymères semi-cristallins est considérablement améliorée par l'incorporation de particules (sub)microniques qui cavitent et induisent une déformation plastique étendue de la matrice plutôt que sa rupture fragile. Nous nous sommes intéressés à plusieurs aspects de ce phénomène au travers de l'étude de systèmes de polyamide renforcé. Nous montrons que des particules nanostructurées de copolymères à blocs génèrent des renforcements remarquables sans la perte en rigidité obtenue avec des particules d'élastomère. Par ailleurs, la structuration de ces copolymères semble contrôler la coalescence et la fragmentation des particules lors de la dispersion. Plus généralement, des observations microscopiques et l'application de divers traitements thermomécaniques montrent que l'organisation cristalline de la matrice est déterminante pour le renforcement. A partir de ces résultats, nous proposons un modèle s'appuyant sur les approches physiques de la fracture des milieux hétérogènes qui explique l'origine physique d'un confinement critique de la matrice nécessaire pour obtenir la ductilité. La théorie proposée prévoit comment cette grandeur dépend de l'organisation cristalline, de la taille des particules ou de la température pour les systèmes de polyamide-12 étudiés et pour plusieurs autres systèmes de la littérature.

Le vieillissement dynamique se manifeste en particulier par le phénomène de Portevin-Le Chatelier (PLC). Il se produit dans les aciers aux environs de 200°C pour des sollicitations quasi-statiques. Dans les aciers au C-Mn, il conduit à une chute de ductilité et de ténacité qui doit être prise en compte dans le dimensionnement des structures de sûreté. L'objectif de la thèse consiste à modéliser le comportement mécanique des aciers au C-Mn en tenant compte du vieillissement dynamique et à prédire leur rupture ductile en présence de ce phénomène. Le comportement mécanique du matériau étudié, un acier au C-Mn, a été caractérisé par des essais de traction simple. Le modèle KEMC implémenté dans le code de calculs par éléments finis Zébulon, a été identifié sur ces essais : l'effet de Portevin Le-Chatelier (PLC) a été correctement simulé sur les éprouvettes lisses, entaillées et CT. Nous avons montré l'importance des conditions aux limites dans la manifestation du PLC. Pour la rupture ductile, l'application du critère de Rice et Tracey (identifié à 20°C) sur les éprouvettes entaillées AE4 montre que la prise en compte du vieillissement dynamique dans le comportement ne suffit pas pour avoir une bonne prédiction de la rupture. Des études micromécaniques de croissance de cavité indiquent que les localisations de PLC peuvent favoriser la croissance et la coalescence de cavité. L'écrouissage apparent, qui dépend du durcissement par la déformation mais aussi du durcissement provenant du vieillissement dynamique, modifie la vitesse de croissance de cavité, mais pas le taux critique de croissance de cavité. On identifie une loi d'endommagement dont les paramètres dépendent de la température à partir des calculs micromécaniques. Le nouveau modèle donne une meilleure prédiction que le modèle de Rice et Tracey sur les éprouvettes entaillées AE4 et a permis de prédire un creux de ténacité sur les éprouvettes CT. Pour améliorer les prédictions, la loi d'endommagement doit dépendre de la vitesse de déformation.

Ce travail de thèse porte sur la mise en place d'une méthodologie d'optimisation des procédés d'assemblage, ainsi que sur l'identification de paramètres de lois de comportement et d'endommagement pour la modélisation des assemblages par déformation plastique. La première partie du travail est axée sur la création d'une plateforme d'optimisation et d'analyse inverse permettant d'exploiter des calculs par éléments finis. Dans le cadre du développement de cette plateforme, un algorithme d'optimisation basé sur l'exploitation d'un méta-modèle par krigeage a été développé. Afin de répondre aux problématiques de temps de calcul, une version parallèle de cet algorithme exploitant les propriétés du krigeage est proposée. Cette version parallèle montre des accélérations significatives par rapport à la version séquentielle, accélérations qui permettent un gain de temps substantiel pour résoudre le problème d'optimisation. Le second axe de ce travail propose une procédure d'optimisation de la tenue mécanique des assemblages par déformation plastique. Cette optimisation est basée sur une chaîne de modélisations incluant la phase d'assemblage et de tenue mécanique à l'arrachement. L'application de cette procédure à la technologie de clinchage permet un gain de 13% de la tenue mécanique à l'arrachement par rapport à la solution de référence. La troisième partie du travail est axée sur l'identification par analyse inverse de paramètres de lois de comportement élasto-plastique et d'endommagement. L'identification, basée sur des essais de traction, se focalise sur une loi de type élasto-plastique, couplée au modèle d'endommagement ductile de Lemaitre. Une attention particulière est portée au type d'observables utilisées pour réaliser l'identification. Trois types d'observables sont étudiées : la courbe force/déplacement, la mesure de striction, et le champ de déplacement issu de mesures de champs. L'enrichissement de la base d'observables permet de mieux définir le problème inverse en diminuant notamment les corrélations entre paramètres et rend donc l'identification plus efficace.

Cette étude s'inscrit dans le domaine de la conception et du dimensionnement de structures industrielles. Elle consiste à proposer une méthodologie permettant de simuler l'endommagement ductile de structures métalliques, suivi de l'amorçage et de la propagation de fissures. La démarche s'organise en trois temps. La première étape consiste à pouvoir décrire correctement l'évolution de l'endommagement jusqu'à l'amorçage de la fissure, par un modèle continu. Or, l'utilisation de modèles de comportement ductiles endommageables classiques avec la méthode des éléments finis conduit à de nombreux problèmes, tels que la dépendance pathologique à la finesse et à l'orientation du maillage ou le verrouillage volumique. Une nouvelle formulation mixte non locale à quatre champs est proposée dans le cadre des petites perturbations afin de surmonter ces problèmes. L'étape suivante vise à améliorer la qualité du calcul. Pour cela, une procédure d'adaptivité de maillage reposant sur un indicateur d'erreur est mise en place afin de permettre d'atteindre le niveau de qualité désiré par l'utilisateur, tout en minimisant les coûts de calculs. Associée au lissage des champs aux anciens points de Gauss avant projection directe aux nouveaux points de Gauss et à l'ajout de viscosité dans le modèle, elle permet de reprendre les calculs sur le nouveau maillage plus adapté après quelques divisions du pas de temps. Enfin, une fois toute la phase d'endommagement décrite avec précision, la dernière partie est consacrée au développement d'une stratégie d'amorçage et de propagation de fissure utilisant l'adaptation de maillage. Pour cela, le chemin de fissure est représenté par un maillage auxiliaire dont le front est le plus régulier possible. Pour déterminer l'orientation de cette discrétisation, un critère reposant sur le gradient de l'endommagement lissé est formulé. Cette stratégie est mise en oeuvre sur un cas test académique en dimensions deux et trois. Par la suite, il serait intéressant de pouvoir appliquer cette méthodologie avec des modèles plus réalistes faisant intervenir le taux de triaxialité, et ce en grandes déformations.

L'objectif de cette étude est de caractériser et de modéliser le comportement mécanique et la rupture en situation accidentelle d'injection de réactivité de gaines de crayons combustibles en Zircaloy-4 détendu vierges, hydrurées ou irradiées en réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Un modèle est proposé pour décrire le comportement viscoplastique anisotrope du matériau en fonction de la température (de 20°C à 1100°C), la vitesse de déformation (de 3.10-4 s-1 à 5 s-1), la fluence (de 0 à 1026 n.m-2) et des conditions d'irradiation. Le comportement plastique anisotrope et la rupture du matériau non irradié hydruré jusqu'à 1200 ppm est étudié à l'aide d'essais de traction axiale, traction circonférentielle, expansion due à la compression et traction plane circonférentielle réalisés à 25°C, 350°C et 480°C. La résistance mécanique et l'écrouissage du<br />matériau dépendent de la température et des teneurs en hydrogène en solution solide et en hydrures précipités. L'anisotropie plastique du matériau est peu modifiée par l'hydrogène. A température ambiante le matériau est fragilisé par les hydrures, qui rompent pour des déformations plastiques d'autant plus faibles que la teneur en hydrogène est élevée. La ductilité du matériau, croissante en fonction de la température, n'est pas affectée par l'hydrogène à 350°C et 480°C. Les modes de rupture macroscopiques et les mécanismes d'endommagement diffèrent selon la géométrie des éprouvettes, la température et la teneur en hydrogène. Un modèle de type Gurson est finalement proposé pour représenter le comportement viscoplastique anisotrope et la rupture ductile du matériau en fonction de la température et de la teneur en hydrogène.

Despite of their costs, titanium alloys are often used for structural applications due to their high performance to density ratio that allows the manufacturers to reach the aimed mechanical properties. Users are more and more inclined to turn towards the ƓÒ-metastable alloys since they provide a wider range of processing conditions, very attractive corrosion resistance and higher strength levels in comparison to the ƓÑƓyƓÒ alloys. Nevertheless, these alloys present a high sensitivity to the variation in the applied heat- or thermomechanical treatment influencing the final mechanical properties. That is why the understanding of the relationships existing between these heat- or thermomechanical treatments and the corresponding modifications of the microstructures, as well as the influence of several characteristics of the microstructure on the mechanical properties under static and cycling loading conditions is of primary importance. This research allows to characterise and to better understand the precipitation and growth sequences of the ƓÑ phase in the Ti-LCB alloy during classical heat- and thermomechanical treatments in order to be able to predict the microstructure resulting from a defined treatment. Furthermore, to improve the understanding of the relationships existing between the manufacturing process, the corresponding microstructures modifications, and the mechanical properties, tensile tests are performed on the different microstructures and microstructural parameters playing an important role on the static properties are identified. Microstructural features governing the static fracture process in two different microstructures are determined by using a micromechanical model based on a physical understanding of the mechanisms of damage. Finally, the crack initiation and the first stage of crack propagation under high cycle fatigue conditions are investigated at a local scale on two different microstructures.

The behavior of steel plate shear walls under the effects of lateral loads depends on the stiffness of the surrounding frame members. Previous research has quantified the minimum required stiffness of columns in the middle stories of steel plate shear wall systems. As the columns of the steel plate shear wall system are subjected to both large axial forces and bending moments, use of composite columns is a viable option in this system. Among the different types of composite columns, the recently developed partially encased composite columns with built-up steel sections have some advantages over other types of composite columns and thus their performance as columns in steel plate shear wall systems needs to be studied. In the first part of this research, a numerical and analytical study has developed a new design parameter and determined the minimum required stiffness of end beams in end panels of the steel plate shear wall system. The effect of the rigidity of the frame connections on the uniformity of the tension field has also been studied in this part. The second part of this research includes two large scale tests on steel plate shear walls with built-up partially encased composite (PEC) columns. One of the test specimens was modular and the other one used reduced beam sections in the frame. The results of the tests show that the columns were stiff enough to anchor the infill plate. The PEC columns in these tests performed in a ductile manner. The overall system behavior was ductile, stable and the specimens showed good seismic behavior and redundancy. Based on the results and observations of this research, design recommendations for PEC columns used as the vertical boundary members of steel plate shear walls are provided. / Structural Engineering

Despite of their costs, titanium alloys are often used for structural applications due to their high performance to density ratio that allows the manufacturers to reach the aimed mechanical properties. Users are more and more inclined to turn towards the ƓÒ-metastable alloys since they provide a wider range of processing conditions, very attractive corrosion resistance and higher strength levels in comparison to the ƓÑƓyƓÒ alloys. Nevertheless, these alloys present a high sensitivity to the variation in the applied heat- or thermomechanical treatment influencing the final mechanical properties. That is why the understanding of the relationships existing between these heat- or thermomechanical treatments and the corresponding modifications of the microstructures, as well as the influence of several characteristics of the microstructure on the mechanical properties under static and cycling loading conditions is of primary importance. This research allows to characterise and to better understand the precipitation and growth sequences of the ƓÑ phase in the Ti-LCB alloy during classical heat- and thermomechanical treatments in order to be able to predict the microstructure resulting from a defined treatment. Furthermore, to improve the understanding of the relationships existing between the manufacturing process, the corresponding microstructures modifications, and the mechanical properties, tensile tests are performed on the different microstructures and microstructural parameters playing an important role on the static properties are identified. Microstructural features governing the static fracture process in two different microstructures are determined by using a micromechanical model based on a physical understanding of the mechanisms of damage. Finally, the crack initiation and the first stage of crack propagation under high cycle fatigue conditions are investigated at a local scale on two different microstructures.