Cette thèse a pour objectif le développement d'une stratégie d'identification des paramètres de plasticité et d'endommagement jusqu'à amorçage, pour des métaux ductiles.Un formalisme logarithmique est utilisé pour simuler les grandes déformations subies par les éprouvettes et une formulation non-locale multi-champ permet de simuler l'adoucissement indépendamment du maillage utilisé et d'éviter le verrouillage volumique.La Corrélation d'Images Digitales est utilisée pour obtenir des mesures hétérogènes plein champ à partir d'éprouvettes entaillées.La stratégie proposée s'appuie sur des observations microscopiques et sur une approche d'identification par recalage de modèle éléments finis (FEMU), visant à minimiser l'écart entre une mesure et son pendant simulé. L'écart est exprimé en termes de force et déplacement grâce à une normalisation appropriée. L'application de la FEMU est guidée par des analyses de sensibilité.La robustesse de la comparaison essai-calcul est assurée par l'application de conditions au bord mesurées. L'effet négatif de l’incertitude de mesure est mis en évidence et une solution de filtrage innovante est proposée.La stratégie est appliquée pour l'identification des paramètres de l'alliage Inconel625. Elle permet de reproduire l'amorçage pour des éprouvettes planes, en termes de réponse macroscopique et de localisation des sites d'amorçage. / This thesis proposes an identification strategy for plastic behaviour and damage up to the onset of fracture, for an application to ductile metals.A logarithmic finite strain formulation is used to simulate the large deformations undergone by the specimens, while a locking-free non-local formulation allows a mesh independent simulation of the softening behaviour.Digital Image Correlation is used to obtain heterogeneous full-field measurements from tensile tests on notched specimens.The identification strategy is based both on microscopic observations and on a Finite Element Model Updating (FEMU) technique, according to which the parameters are identified by minimizing the discrepancy between experiment and simulation. The discrepancy is quantified both in terms of displacement and force thanks to an appropriate normalization. The application of FEMU is guided using sensitivity analysis.The robustness of the comparison between simulation and measurement is ensured by prescribing measured displacements as boundary conditions for the simulation. The negative effect of the measurement uncertainty is underlined, and an innovative filtering approach is proposed.The proposed strategy is used to identify the materials' parameters of alloy Inconel625. It allows to reproduce the onset of fracture for flat specimens, both in terms of macroscopic response and crack initiation location.

Ce travail vise à améliorer la compréhension et la modélisation de la rupture des matériaux métalliques à gradient de propriétés. L'application se fait sur des pignons en acier 20MnB5 carbonitrurés insérés dans un "recliner", mécanisme de sécurité des siègesautomobiles. Le traitement de carbonitruration consisteà enrichir en carbone et azote une couche externe despièces en les chauffant dans le domaine austénitiquedans une atmosphère riche en ces deux éléments. Puisles pièces sont trempées afin de déclencher unetransformation martensitique. On obtient ainsi unmatériau à gradient de propriétés, intéressant pour despièces de transmission de puissance comme lesengrenages. Ce projet a commencé par l’analyse de larupture de mécanismes de sièges en test industriel. Celaa confirmé le double comportement à rupture binaire dumatériau : fragile sur une couche externe, ductile àl’intérieur. Un banc d’essai, spécialement conçu pour ceprojet, soumet une dent à un effort latéral jusqu’àrupture complète. Des observations in situ sonteffectuées et la courbe force-déplacement estenregistrée, montrant la diversité de comportement enfonction de la profondeur d'engagement des dents et dela présence ou non de la couche carbonitrurée. Desessais de traction, de flexion 4 points et de cisaillementsur éprouvettes papillons sont utilisés pour mesurer lespropriétés plastiques et calibrer les critères de rupturede la couche carbonitrurée comme de l'acier de base. Laplasticité de Von Mises avec une loi d'écrouissagesimple rend très bien compte de tous ces essaismécaniques. Différents critères de rupture ductile issusde la littérature sont calibrés; ils ne parviennent pas àreprésenter correctement tous les essais réalisés.Un critère plus adapté est donc proposé enconclusion de cette campagne expérimentale. Lasimulation de la rupture dans LS-Dyna est réaliséeavec une technique d'érosion d'éléments dont leslimitations sont discutées. La comparaison avec larupture de dent expérimentale permet d'évaluer lescritères numériques identifiés et d'analyser leslimites actuelles de la simulation, en particulier lanécessité de prendre en compte plus finement àl'avenir le gradient de propriétés mécaniques ainsique les contraintes résiduelles de compression dela couche carbonitrurée. / This work aims at a better understanding and modeling of the failure of gradient metallic materials. It is applied to carbonitrided pinions made out of 20MnB5 steel, inserted in a "recliner", a safety mechanism of automotive seats. Carbonitriding induces high surface hardness while preserving significant core ductility. The experimental analysis of the fracture behavior of seat recliners in an industrial test confirmed the dual failure behavior of the component : brittle external layer, ductile core material. A test bench has been specifically designed for the project: one tooth is submitted to a lateral force until complete failure. In situ observations are performed and the load-displacement curve recorded, showing a variety of behaviors as a function of the teeth engagement depth and of the presence or not of the carbonitrided layer. Experimental tests with various tress states were conducted to measure plastic properties as well as to calibrate fracture criteria, for the carbonitrided layer and for the core steel. Von Mises plasticity and a simple strain hardening curve fit very well all these experiments. As fracture criteria from the literature were unable to predict failure correctly for all the mechanical tests, an adapted criterion has therefore been proposed as an outcome of this extensive mechanical testing campaign. Fracture simulation in LS Dyna has been performed using the element erosion technique, the limitations of which are discussed. Comparison with the experimental tooth fracture measurements allows evaluation of the proposed failure criteria, and enables to stress out and discuss the present limits of the simulation, concluding that it will be necessary in future work to account more finely for the mechanical property gradient together with the compressive residual stresses in the carbonitrided layer.

Dans le cadre des opérations de perçage, les billettes en acier subissent un réchauffage de la température ambiante à une température d’environ 1250°C. Au cours de ce réchauffage, le gradient de température dans les billettes entraîne la détérioration de la santé axiale de celles-ci et est à l’origine de l’apparition de défauts sur le tube formé. Une méthodologie d’analyse des mécanismes à l’origine de ces défauts a été mise en place. Elle se base sur la caractérisation de la santé axiale par essais rhéologiques permettant d’établir des indicateurs de ductilité et par des examens métallurgiques identifiant les défauts internes.L'étude de la sollicitation thermomécanique induite par le réchauffage du produit est analysée à l’aide de simulations numériques par éléments finis et les zones de sollicitations critiques associées au procédé sont identifiées. La caractérisation des anomalies observées sur les billettes est ensuite faite à partir d’essais de fissuration et de simulations numériques X-FeM. L’implémentation d’un critère de rupture en contrainte dans la simulation du cycle de chauffe a permis de définir les valeurs de gradient thermique limite et les courbes de chauffe optimales. Les analyses montrent que les conditions de chauffe en début de cycle thermique ont une forte influence sur la santé axiale des billettes. Les résultats de ces travaux conduisent à des solutions concrètes pour l’amélioration de la productivité. / As part of the piercing operations, billets undergo a reheating process from room temperature to a temperature of about 1250°C. During this heating, the thermal gradient in the billet leads to a deterioration of the axial health and is responsible of the initiation ofdefects on the formed tube.A methodology for the analysis of the mechanisms at the origin of these defects has been established. It is based on first, the characterization of the axial health with hot rheological tests to establish some indicators of ductility and second, on metallurgical analyses to identify the internal defects.Then finite element simulations have been performed to study the thermo-mechanical loadings induced by heating. Critical solicitation zones of the product during the processes have been identified.Finally a characterization of the observed defects into the billets has been led coupling cracks growth tests and X-FeM numerical simulations. The implementation of the experimental stress failure criterion, in the simulation of the heating cycle allows to obtain good values of thermal gradient boundary curves and leads to optimal heating curves.The analysis shows that the conditions at the beginning of the reheating process have a strong influence on the axial health of the billets. The results of these studies lead to friendly industrial solutions for improving productivity.

L’industrie automobile suit une politique d’allègement via l’introduction de matériaux plus légers et plus diversifiés dans la structure du véhicule. Parmi les techniques d’assemblages envisagées, le présent document se focalise sur le procédé de clouage grandevitesse. Des essais d’assemblages ont été réalisés en laboratoire sur de l’aluminium de fonderie, de l’acier DP780 et DP1180. La cinématique d’assemblage, les modes de ruptures, la réaction des tôles et les propriétés de la liaison sont étudiés. Des modèles matériaux ont été choisis pour rendre compte des phénomènes dynamiques et de rupture des tôles pendant l’assemblage. Le clou et les tôles ont ensuite été caractérisés mécaniquement dans plusieurs conditions de chargements et utilisés pour la calibration des modèles. Un modèle par éléments finis du clouage est crée; ses sensibilitées aux variations de maillage, frottement et modèle matériau sont évaluées et ses limitations capturées, soit par une pression d’assemblage inadaptées soit par la fragilité du clou. Des simulations de traction-croix et traction-cisaillement permettent finalement l’estimation des propriétés mécaniques de la liaison. / Lightweigthing structures using mixed material components have become one of the main target of automotive industry’s future. Among the joining processes under exploration, the present work focuses on High-Speed Nailing. Experimental campaigns are conducted under laboratory conditions on layers superposition made of cast aluminium, dual-phase steels DP780 and DP1180. Joining kinematics, sheets fracture modes, reaction the nail insertion and nailed-joint strengths are investigated in various conditions of experiment. Material models are chosen to account for the dynamic and fracture phenomena exhibit by materials in the joining stage. Mechanical tests are performed on nail and sheets materials under different strain-rates and stress-states and used as references for the calibration procedure. A finite element model of the joining stage is built; its sensitivity to mesh size, friction and material formulation is evaluated and its limitations captured by either inappropriate joining pressure setting or nail brittleness. After a new equilibrium is reached, the nailed-joint is tested through cross-tension and sheartension simulations to tackle the prediction of in-service properties.

Les matériaux à haute résistance, notamment les aciers et les alliages à base d'aluminium et de titane, sont largement utilisés dans l'aéronautique comme matériaux structuraux et de protection. Dans le cas de surcharges accidentelles impliquant des vitesses de chargement élevées et des conditions quasi adiabatiques, ces matériaux sont souvent sensibles au cisaillement adiabatique par bande. Les bandes de cisaillement adiabatique (BCA) sont des zones étroites de cisaillement intense qui résultent d'une instabilité thermomécanique et qui conduisent à une rupture prématurée du matériau. À un stade avancé du processus de localisation, des micro-cavités (MCs) ont été observées dans les BCAs. Ces MCs peuvent coalescer pour former des fissures et mener à la rupture de la structure. Ainsi, les mécanismes couplés d'ASB+MC agissent comme un précurseur à la rupture catastrophique et il est par conséquent important de modéliser numériquement leurs effets dans des structures soumises à des sollicitations à haute vitesse. Les BCAs apparaissent aussi dans certaines applications industrielles, telles que l'usinage à grande vitesse, où elles favorisent le festonnement du copeau. Un postulat de grande échelle est appliqué ici où la longueur caractéristique du volume élémentaire représentatif (VER) est plus grande que la largeur de bande, et non l'inverse comme fait communément. L'objectif du travail présenté est d'enrichir un modèle décrivant les effets des BCAs en prenant en compte les conséquences de l'endommagement par MC dans le processus progressif de la rupture. Les effets des BCAs et des MCs sur la réponse du VER sont doubles : cinématique, à savoir une déviation progressif de l'écoulement plastique dans le plan de la bande décrite via des gradients de vitesse induits par les BCAs et par les MCs; et matériel, à savoir une dégradation anisotrope des modules élastiques et plastiques décrite via des variables tensorielles d'ordre deux de détérioration induite par les BCAs et par les MCs. L'amorçage des BCAs est déterminé à partir d'une analyse linéaire de stabilité et celui des MCs par une valeur critique du taux de restitution d'énergie local. L'intérêt de ce modèle avancé est démontré par comparaison avec un modèle orienté application du type (1-D) où D est une variable de détérioration isotrope. Le modèle enrichi ASB+MC est implémenté comme matériau utilisateur dans le code de calculs commercial par éléments finis LS-DYNA. [...] / High strength metallic materials, notably steel and light-weight titanium and aluminium alloys, are widely used in aeronautical and other structures. In case of accidental overload involving high strain rates and quasi adiabatic conditions, these materials are often susceptible to adiabatic shear banding. The adiabatic shear bands (ASB) are intense shear localisation zones resulting from thermomechanical instability and provoking premature material failure. At an advanced stage of the localisation process, the ASBs have been shown to contain micro-voids (MV) which may coalesce to form cracks and ultimately lead to the fracture of the structure. Thus the coupled mechanisms of ASB+MV act as a precursor to catastrophic failure and it is consequently crucial to numerically model their formation and effects when dealing with structures submitted to high loading rates. The ASBs are also observed in industrial applications such as high speed machining where their formation favours the chip serration. A large scale postulate is used herein to obtain a global insight into the structural material response. The shear band cluster is indeed contained/ embedded within the representative volume element (RVE), and not the opposite as usually considered. The objective here is to enrich a model describing the ASB effects by taking into account the consequences of the micro-voiding within the progressive failure process. The effects of ASB and MV initiation and evolution on the RVE (material point) response are double: kinematic, namely a progressive deviation of the plastic flow in the band plane described via specific ASB and MV induced velocity gradients; and material, namely a progressive anisotropic degradation of the elastic and plastic moduli described via ASB and MV induced second order tensor deterioration variables. The ASB onset criterion is derived from the linear perturbation analysis and the MV is activated using a critical value for the local energy release rate. The interest of this advanced constitutive model is emphasised by comparison with an application oriented (1-D) model where D is a scalar damage variable. [...]

Functionally graded materials (FGMs) are composites with continuous material property variations. The distinct interfaces between the reinforcement and the matrix in classical composites are potential damage initiation sites. The concept of FGM aims at avoiding the material mismatch at the interfaces. Functionally graded materials originated from the need for a material that has high-toughness at very high operating temperatures that occur in rocket nozzles and aeroplane engines. One of the early applications of graded materials can be thus found in thermal barrier coatings of gas turbine blades. Recent applications of FGMs include optoelectronics, ballistic impact resistance structures, wear resistant coatings and others. Although the manufacturing and applications of FGMs are well developed the basic mechanics of failure is not well understood, which is important in developing engineering design methodologies. Modern day design practice uses the concepts of fracture mechanics and the fracture properties of graded materials is not well understood. Most studies in the literature have assumed that the material response of the bulk functionally graded material to be elastic even though the constituents are nominally ductile. Some asymptotic analysis available in the literature have described the effect of ductility on the fracture parameters. However, these analysis are not complete in the sense that they have some undetermined constants. The present thesis aims at performing whole-field finite element (FE) simulations of a crack embedded in a ductile functionally graded material subjected to an anti-plane shear (mode-3) loading. A J2-deformation theory based power-law hardening nonlinear material response is assumed. The material property variation is assumed to be in the radial-direction (r-FGM), tangential to the crack (x-FGM), normal to the crack plane (y-FGM) and also at an arbitrary angle to the crack-plane (xy-FGM). Yet another power law described the material property variation. The competition between the indices of the hardening and material property variation is understood by performing a parametric analysis by varying both systematically. Our results indicate that the first most singular term of the asymptotic series remains unaffected. For some values of the material property variation index, the second asymptotic term is affected. The semi-closed form solutions available in the literature were unable to decipher the relative range of dominance of the first and second terms. From the present whole-field FEM analysis were able to extract this relative range of dominance. Our results indicate the range of dominance of the first term is least for FGMs when the material property variation is in the direction to the crack (x-FGM), and it is more for y-FGM.

Experimental studies have shown that the yield strength of many important engineering materials such as polymers, ceramics and metallic glasses is dependent on hydrostatic stress. In addition, these materials may also exhibit plastic dilatancy. These deviations from the assumptions of classical plasticity theories have also been observed for some metallic alloys, although to a lesser extent compared to non-metals. In pressure independent plastic solids, it has been found that the level of crack tip constraint can affect the near-tip stress and deformation fields and hence the fracture resistance. The objective of the present work is to study the effects of pressure sensitive yielding, plastic dilatancy and constraint loss on the ductile fracture processes under mode-I conditions. Further, the three-dimensional (3D) structure of elastic-plastic near-crack front fields in a pressure independent plastic solid under mixed mode (combined modes I and II) loading is also examined. A finite element study of 3D crack tip fields in pressure sensitive plastic solids under mode-I, small scale yielding (SSY) conditions is first carried out. The material is assumed to obey a small strain, Extended Drucker-Prager (EDP)yield criterion. The roles of pressure sensitive yielding, plastic dilatancy and yield locus shape on the 3D plastic zone development and near-crack front fields are systematically investigated. It is found that while pressure sensitivity leads to a significant drop in the hydrostatic stress all along the 3D crack front, it enhances the plastic strain and crack opening displacements. However, plastic incompressibility results in elevation of both near-tip hydrostatic stress and notch opening. The implications of these observations on micro-void growth and interaction near a notch tip are studied in detail subsequently. The effects of constraint loss on void growth near a notch tip under mode-I loading in materials exhibiting pressure sensitive yielding and plastic dilatancy are investigated by performing large deformation elastic-plastic finite element analyses. To this end, two-dimensional (2D)plane strain and 3Dmodified boundary layer formulations are employed by prescribing the elastic K-T field as remote boundary conditions. The results are generated for different combinations of K (or J ) and T -stress. The material is assumed to obey a finite strain, EDP yield condition. The distributions of hydrostatic stress and plastic strain in the ligament connecting the notch and a nearby void (cylindrical or spherical) as well as the growth of the notch and the void are studied. The results show that void growth with respect to J is enhanced due to pressure sensitivity, and more so when the plastic flow is non-dilatational, which corroborates with the trends exhibited by the 3D crack tip fields. However, the evolution of ductile fracture processes like void growth, plastic strain localization and ligament length reduction with respect to J is retarded in the case of spherical voids. Further, irrespective of pressure sensitivity, loss of crack tip constraint can significantly slow down void growth. The effects of pressure sensitive yielding and plastic dilatancy on near-tip void growth and multiple void interaction mechanisms in single edge notched bend (SENB) and center cracked tension (CCT) specimens which display high and low constraint levels, respectively, are investigated next. It is observed that the latter mechanism which is favored by high initial porosity is further accelerated by pressure sensitive yielding and high constraint. The predicted resistance curves based on a simple void coalescence mechanism show enhancement in fracture resistance when constraint level is low and when pressure sensitivity is suppressed. Finally, detailed elastic-plastic finite element simulations are carried out using a boundary layer (SSY) formulation to investigate the 3D nature of near-crack front fields in a von Mises solid under mixed mode (combined modes I and II)loading. The plastic zones and radial, angular and thickness variations of the stresses are studied corresponding to different levels of remote elastic mode mixity and applied load, as measured by the plastic zone size with respect to the plate thickness. The 3D results are compared with those obtained from 2D simulations and asymptotic solutions to establish the validity of 2D plane stress and plane strain approximations near a crack front. It is found that, in general, plane stress conditions prevail at a distance from the crack front exceeding half the plate thickness, although it could be slightly smaller for mode-II predominant loading.

La bonne ténacité des aciers pour gazoducs aux basses températures est nécessaire pour éviter la propagation de fissures de manière catastrophique. Cette étude vise à améliorer la compréhension physique et l'évaluation quantitative du comportement à rupture des aciers pour gazoducs laminés à chaud, en nous intéressant plus particulièrement aux températures au pied de la transition ductile-fragile .La résilience de ces aciers est généralement validée à l'aide d'essais dits drop weight tear tests (DWTT), après lesquels le faciès de rupture doit contenir moins de 15% de zone fragile. Pour les aciers mis en forme par laminage thermomécanique (TMCP), des ruptures fragiles hors plan, comme le délaminage (qui se propage dans le plan de laminage de la tôle), et la rupture fragile en biseau le long des plans dits thêta (inclinés de 40° autour de la direction de laminage par rapport au plan de laminage) apparaissent dans la transition ductile-fragile. Ces modes de rupture, observés lors des essais de résilience (DWTT, Charpy) et de ténacité (CT), affectent la résistance à la rupture de ces aciers.L'anisotropie de l'écoulement plastique, puis celle de la sensibilité à la rupture par clivage ont été caractérisées en fonction de la température, à l'aide d'essais de traction sur des éprouvettes lisses et entaillées conçues pour cette étude. L'analyse mécanique de ces essais à l'aide de calculs par éléments finis a permis de déterminer des contraintes critiques de clivage dans les directions perpendiculaires au plan de laminage et aux plans thêta. Les valeurs obtenues dans ces directions sont de 25% inférieures à celles correspondant aux directions de laminage et travers long.L'anisotropie de la contrainte critique de clivage a été quantitativement corrélée à l'anisotropie de microtexture du matériau. Des entités appelées « facettes de clivage potentielles » ont été définies et mesurées dans cette étude, comme des régions contenant un plan {100} défavorablement orienté et dans lesquelles les fissures de clivage se propagent sans être arrêtées. Par exemple, un plan contenant 20% de facettes de clivage potentielles aurait une contrainte critique de clivage de 20% moins élevée qu'un plan présentant seulement 10% de facettes de clivage potentielles.La taille et la forme de ces facettes de clivage potentielles évoluent avec la déformation plastique. Par conséquent, la contrainte critique de clivage est affectée par l'historique de déformation. Dans le cas du délaminage, les facettes de clivage potentielles s'allongent au cours d'un chargement dans la direction travers long, conduisant à une augmentation de leur taille effective et par conséquent à une diminution (qui peut atteindre 30%) de la contrainte critique de clivage dans le plan de la tôle. Cette diminution facilite in fine l'apparition du délaminage. De plus, la présence de micro-fissures ductiles facilite la rupture par délaminage en modifiant l'état de contrainte local. Un critère a ainsi été proposé pour prédire numériquement l'amorçage du délaminage dans des éprouvettes de traction et/ou de résilience Charpy.L'application de cette approche à des échantillons traités thermiquement et à des échantillons pré-déformés a montré que la sensibilité au délaminage pouvait être contrôlée en modifiant la texture locale initiale du matériau. / High toughness of pipeline steels at low temperature is required to avoid catastrophic propagation of brittle crack. The aim of the study is to improve physical understanding and quantitative assessment of the toughness behavior of hot-rolled pipeline steels, focusing on the lower part of the ductile to brittle transition temperature range.The impact toughness of these steels is commonly validated using drop weight tear tests (DWTT), on the basis of fracture surfaces that must exhibit less than 15% of brittle fracture appearance. In thermomechanical control processed steels, brittle out-of-plane cracks such as delamination (which propagates along the rolling plane), and brittle tilted fracture (BTF) along theta-planes (tilted around RD by 40° with respect to rolling plane), have been characterized in the ductile to brittle transition temperature range, for both industrial (DWTT) and laboratory Charpy impact tests. In both cases, as well as in fracture toughness tests, such brittle out-of-plane cracking has been shown to impair the impact toughness.The anisotropy in plastic flow and sensitivity to cleavage fracture has been characterized as a function of temperature, by using tensile tests on specifically designed smooth and notched specimens. From finite element mechanical analysis of these tests, critical cleavage stresses normal to the rolling plane and the theta-plane are considerably lower (around 25%) than for planes normal to the rolling and transverse directions.The anisotropy in critical cleavage stress has been quantitatively correlated to microtexture anisotropy. So-called “potential cleavage facets” have been defined and measured in this study, as regions with unfavorably oriented {100} planes, which are taken as unit crack paths for cleavage propagation. A sample containing 20% of potential cleavage facets had a critical cleavage stress 20% lower than a sample with only 10% of potential cleavage facets.The size and shape of these potential cleavage facets evolve during plastic deformation. Therefore, the critical cleavage stress was found to be affected by plastic strain history. In the case of delamination, potential cleavage facets along the rolling plane were elongated during loading, their area was increased and the corresponding critical cleavage stress decreased by around 30% with respect to the undeformed case. This made delamination cracking easier. Moreover, the presence of a ductile crack at the initiation site of delamination locally modified the stress state and also facilitated delamination occurrence. A criterion has been developed to numerically predict the onset of delamination in tensile and Charpy specimens.Application of this approach to heat-treated and to prestrained specimens eventually showed that it was possible to modify the sensitivity to delamination by strongly modifying the initial microtexture anisotropy.

La performance mécanique des pièces de structures automobiles fabriquées à partir de tôles d'acier à très haute résistance (THR) est souvent réduite à cause des bords découpés. Ce phénomène a été étudié pour deux nuances d'aciers ferrite-bainite (FB600) et ferrite-martensite (DP600), ce dernier présente un écrouissage et un gradient de dureté entre les phases plus élevés que ceux de la nuance FB600. Les micromécanismes d'endommagement de ces matériaux de base ont été caractérisés en utilisant les techniques de tomographie in situ et MEB in situ. Pour l'acier DP600, la germination de cavités a eu lieu sur les inclusions et aux interfaces ferrite-martensite. De plus, des cavités sous forme d'aiguille ont été observées dans la zone centrale correspondant à la ligne de ségrégation. Les mêmes mécanismes de germination ont été observés dans le cas de l'acier FB en plus de la germination aux interfaces des carbures qui a eu lieu à des déformations élevées. L'analyse d'image a montré que l'acier DP présente une densité initiale de cavités et une densité de cavités germées plus élevées que celles de l'acier FB qui semblait plus tolérant à l'endommagement. Des bords poinçonnés et usinés des nuances DP et FB ont été caractérisés par laminographie in situ lors d'un chargement mécanique. Pour les bords poinçonnés, ces observations ont permis de constater que la zone rompue est rugueuse et qu'un micro-endommagement sous forme d'aiguille initié sur la surface et dans le volume suit les lignes d'écoulement. Lors du chargement mécanique, les cavités sous forme d'aiguilles croissent à partir de la zone rompue et coalescent avec la zone cisaillée. En revanche, pour les bords usinés, l'endommagement s'initie loin de la surface de bords (~800 microns). Une analyse des données 3D a été réalisée pour quantifier l'état initial de l'endommagement et son évolution. L'acier FB600 a été plus résistant aux bords découpés que l'acier DP600. Des simulations 3D par éléments finis ont été menées pour étudier les champs mécaniques potentiellement affectés par le profil du bord découpé et du pré-écrouissage. Cette analyse a permis de conclure que seuls ces paramètres ne modifient pas localement les champs mécaniques. Finalement, des simulations axisymétriques par éléments finis de l'essai d'expansion de trou ont été réalisées pour différentes épaisseurs de tôle en utilisant les critères d'endommagement identifiés sur les résultats expérimentaux de la tomographie in situ. / The mechanical properties of automotive structures made of advanced high strength steels (AHSS) is often seen reduced by the presence of cut edges. Here this phenomenon is investigated for ferrite-bainite steel (FB600) and martensite ferrite steel (DP600), the latter having higher work hardening and phase hardness gradient than FB600.Damage micromechanisms for these two base materials were assessed using in situ synchrotron tomography, in situ SEM and SEM on cross sections. It was revealed for the DP600 steel that damage nucleated from particles and ferrite-martensite interfaces. In addition, needle shaped voids, that are consistent with the presence of segregation lines, were seen. For the FB steel, the same observations hold true except that the decohesion on interfaces sets in at higher strains. Quantitative image analysis also showed that the initial number of voids and the number of nucleating voids was higher for DP steel than for FB steel which was also seen to be more damage tolerant.Punched and machined edges made of DP600 and FB600 steel were mechanically loaded during in situ laminography testing. It was found that the fracture zone of the punched edge was rough and that needle-shape voids at the surface and in the bulk followed material flow lines. During mechanical in situ testing the needle voids grew from the fracture zone surface and coalesced with the sheared zone. In contrast, for the machined edge the damage started away from the edge (~ 800 microns) where substantial necking has occurred. Three-dimensional image analysis was performed to quantify the initial damage and its evolution. The FB600 was more resistant to cut edges than the DP600 steel.3D elasto-plastic FE calculations were carried out to investigate mechanical fields, potentially affected by the edge profile and pre-hardening profile. These parameters were not found to substantially modify the mechanical fields. Finally, axisymmetric 2D simulations for hole expansion were carried out for different sheet thicknesses using a post-treated damage evaluation calibrated on in-situ tomography data.

Le manteau lithosphérique subcontinental est exhumé au pied des marges passives distales non-volcaniques en réponse à l’amincissement extrême de la croûte continentale. Ce processus d’amincissement peut être étudié à pied sec sur les témoins de la paléo-marge passive nord Ibérique affleurant aujourd’hui au nord de la chaîne des Pyrénées dans les Chaînons Béarnais (Zone Nord-Pyrénéenne : ZNP). La ZNP résulte de l’inversion de bassins ouverts entre les plaques Ibérique et Europe pendant l’Albo-Cénomanien. Dans les Chaînons Béarnais, la couverture mésozoïque pré-rift est intimement associée aux roches du manteau subcontinental et à de fines lentilles tectoniques de croûte continentale. L’hyper amincissement crustal s’est déroulé dans des conditions thermiques relativement chaudes, comme le montrent les déformations ductiles syn-métamorphiques crétacées affectant la croûte continentale et la couverture mésozoïque allochtone, localement en contact tectonique sur le manteau exhumé. Dans cette thèse, nous présentons des données structurales et géochimiques apportant de nouvelles contraintes pour la connaissance du processus d’amincissement extrême de la croûte continentale et pour la reconstruction de l’évolution de la paléo-marge nord-Ibérique. La couverture pré-rift a été désolidarisée de son socle paléozoïque au niveau des évaporites du Keuper et mise en contact direct avec le manteau pendant son exhumation dans le fond des bassins. Le détachement croûte/manteau est une discontinuité majeure caractérisée par des bandes de cisaillements anastomosées définissant une fabrique lenticulaire (« phacoidal fabric ») d’épaisseur pluri-métrique au sommet du manteau serpentinisé. La croûte continentale se réduit à de minces écailles elles-mêmes anastomosées, séparée par des bandes de cisaillement dans le faciès schistes verts et évoluant vers des cataclasites plus froides. Les analyses par spectrométrie Raman sur la matière carbonée (RSCM) montrent que l’ensemble de la couverture mésozoïque a été soumis à des températures maximales comprises entre 200°C et 480°C. Elle est sujette à d’intenses circulations de fluides. Les interactions fluides/roches ont eu lieu lors de tous les stades de l’extension, depuis les contextes profonds durant la déformation ductile, jusqu’au domaine superficiel durant la déformation cassante. Le détachement manteau/Mésozoïque est marqué par une couche de roches métasomatiques, riches en talc, chlorite et pyrite, mises en place dans les conditions du faciès schistes verts, impliquant en partie des fluides issus de la serpentinisation du manteau. De plus, la géochimie isotopique (O, C, Sr) et les inclusions fluides présentes dans des veines de carbonates des sédiments mésozoïques, témoignent d’une circulation de saumures chaudes (~200°C), à travers toute la couverture sédimentaire pendant l’exhumation du manteau. Ces saumures sont issues de la dissolution des évaporites du Keuper, très rarement conservées dans les Chaînons Béarnais. Nous développons un modèle conceptuel basé sur la géologie des Chaînons Béarnais dans lequel la croûte continentale moyenne est déformée ductilement. Le fonctionnement de détachements contre-régionaux (à pendage vers le continent) est associé à l’individualisation de fines lentilles tectoniques de croûte continentale moyenne qui sont extraites et exhumées avec le manteau dans le fond des bassins albo-cénomaniens, laissant en arrière la croûte continentale supérieure et inférieure. Ces lentilles crustales collées au manteau forment alors une large zone de croûte extrêmement amincie. Des fenêtres ouvertes au sein de cette mince pellicule crustale permettent au manteau de venir en contact direct avec les sédiments pré-rifts (Saraillé, Turon de la Técouère). Des ouvertures au sein de la couverture pré-rift permettent au manteau de venir directement à l’affleurement (Urdach-Les Pernes). / Sub-continental lithospheric mantle rocks are exhumed at the foot of magma-poor distal passive margins as a response to extreme stretching of the continental crust. Remnants of the Northern Iberian paleo-passive margin are now exposed in the Northern Pyrenees in the Chaînons Béarnais (North Pyrenean Zone: NPZ) and represent field analogues to study the processes of continental crust thinning and subcontinental mantle exhumation. The NPZ results from the inversion of basins opened between the Iberia and Europa plates during Albo-Cenomanian times. In the Chaînons Béarnais ranges the pre-rift Mesozoic sedimentary cover is associated with peridotite bodies in tectonic contact with small size Paleozoic basement lenses. Continental extension developed under hot thermal conditions, as demonstrated by the syn-metamorphic Cretaceous ductile deformation affecting both the crustal basement and the allochtonous Mesozoic cover locally in direct contact with exhumed mantle rocks. In this study, we present structural and geochemical data providing new constraints to the knowledge of extreme crustal thinning processes and to reconstruct the evolution of the northern Iberia paleo-margin. The pre-rift cover was detached from its Paleozoic bedrock at the Keuper evaporites level and was welded to mantle rocks during their exhumation in the bottom of the basins. The crust/mantle detachment fault is a major shear zone characterized by anastomosed shear bands defining a plurimetric phacoidal fabric at the top of the serpentinized mantle. Raman Spectroscopy on Carbonaceous Materials (RSCM), performed on the Mesozoic cover reveals that the entire sedimentary pile underwent temperatures ranging between 200°C and 480°C. This sedimentary pile displays numerous evidence of infiltration by geological fluids. The fluid/rock interactions went on during the entire extensional events, since early deep phases characterized by ductile deformation, to late shallower stages characterized by brittle deformation. The detachment is marked by a layer of metasomatic rocks, locally up to 20 meters thick, made of talc-chlorite-pyrite-rich rocks that developed under greenschist facies conditions, including fluids derived from mantle rocks serpentinisation. Moreover, isotopes geochemistry (O, C, Sr) and microthermometry/Raman spectrometry of fluid inclusions in a network of calcitic veins (with quartz locally) in the overlying sediments reveal moderate temperatures (~220°C) brines circulation through the whole sedimentary cover during mantle exhumation. These brines likely derived from the dissolution of the local Triassic evaporites, rarely preserved in the Chaînons Béarnais. We developed a conceptual model based on geological evidence from the Chaînons Béarnais. Implying ductile deformation of the middle crust. Counter-regional detachments (dipping toward the continent) are associated to the individualization of mid-crustal thin tectonic lenses which remain welded on the mantle rocks and are exhumed at the floor of the Albian-Cenomanian basins, leaving behind the upper and the lower crust. These crustal lenses welded on mantle rocks then form a large zone of extremely thinned continental crust. Breaking points in this thin crustal sheet allow mantle rocks to come in direct contact with the pre-rift sediments (Saraillé, Turon de la Técouère). Breaking points in the pre-rift cover allow mantle rocks to be completely exhumed to the seafloor (Urdach-Les Pernes).