Pour des intérêts technologiques, la compréhension des mécanismes de déformation des nano-structures est essentielle afin d'éviter que la relaxation des contraintes ne génère des défauts aux conséquences parfois catastrophiques. De plus, dans les nano-objets semi-conducteurs, les expériences montrent une transition fragile-ductile qui dépend de la taille des systèmes : ils sont ductiles pour des dimensions inférieures à quelques centaines de nanomètres, fragiles au-delà. Nous avons abordé ce problème via des calculs de dynamique moléculaire pour simuler des tests de déformation de nano-fils, et nous avons choisi le silicium comme prototype de matériau semi-conducteur. Nous avons dans un premier temps analysé des grandeurs mesurables comme les coefficients d'élasticité et la limite d'élasticité en fonction de différents paramètres, et montré notamment que la limite d'élasticité diminue quand la hauteur du nano-fil augmente. L'analyse à l'échelle atomique des systèmes déformés nous a permis de décomposer le comportement global des nano-fils en mécanismes élémentaires ; nous avons ainsi montré que la nucléation d'une première dislocation est à l'origine de l'ensemble des comportements, ductiles et fragiles. Après cette nucléation initiale, le comportement global du nano-fil est déterminé par la compétition entre la nucléation d'autres dislocations et l'ouverture de cavités. Finalement, nous avons essayé d'estimer quantitativement les degrés de ductilité et de fragilité des nano-fils en analysant l'énergie relaxée pendant le régime plastique par ces deux mécanismes élémentaires, et de rationaliser ainsi le rôle de la taille du système sur la transition fragile-ductile. / For technological interest, the understanding of the deformation mechanisms at the nano-scale is essential in order to prevent stress relaxation mechanisms that could lead to defects formation and/or to catastrophic failure. Furthermore, recent experimental findings showed in semiconductor nano-objects, a size dependent brittle to ductile transition: they are ductile below a few hundreds of nanometers, brittle above that scale. To investigate this behavior, we have used molecular dynamics as a tool to simulate deformation tests of nanowires and we have used silicon as a prototypical semiconductor material. First we analyzed a number of measurable quantities such as the elasticity coefficients and the elasticity limit with respect to various parameters and we found that the elasticity limit decreases when the length of the nanowire increases. An analysis of the atomic structure of the deformed systems allowed us to decompose the overall mechanical behavior of the nanowires into elementary mechanisms; we thus showed that the nucleation of a first dislocation was systematically at the origin of ductility and brittleness. After the initial dislocation nucleation, the competition between further dislocation nucleation events and cavities opening, determine the overall mechanical behavior of the nanowire. Finally, we tried to estimate quantitatively the degree of ductility and brittleness of the nanowires by analyzing the amount of energy released by those two elementary mechanisms during the plastic regime and we rationalized the role of the size of the deformed systems on the brittle to ductile transition.

Cette thèse traite de l'analyse limite des structures de châssis en acier, qui s'utilise souvent comme la structure principale de support des bâtiments. La structure du cadre en acier est caractérisée par une réponse très ductile et un grand potentiel pour dissiper l'énergie, ce qui est crucial pour la résistance par rapport aux tremblements de terre. La ductilité dans la réponse de la structure est la cause du comportement du matériau lui-même et du comportement des connexions entre les éléments de la structure. Les connexions entre les poutres et les poteaux peuvent influencer de manière significative la réponse de la structure du cadre en acier, parfois jusqu'à 30%. L'idée est de intégrer le comportement des connexions par les éléments de poutres qui seront situés dans les coins du cadre et la modélisation du reste serra fait avec des éléments de poutres non-linéaires qui décrirons le comportement des poutres en acier. Cette recherche est composée de deux parties. La première partie est consacrée au comportement des connexions structurelles, la deuxième partie présente le développement de l'élément fini du faisceau non linéaire capable de représenter le comportement ductile d'un élément de la structure en acier. Dans la première partie de la thèse, nous définissons la procédure d'identification des paramètres constitutifs pour le modèle couplé de plasticité-dégâts avec dix-huit inconnus. Ce modèle constitutif est très robuste et capable de représenter une large gamme de problèmes. La procédure définie a été utilisée dans la préparation de tests expérimentaux pour trois types de connexions en acier structuré. Les tests expérimentaux ont été effectués pour deux cas de charge. Pour la première, la charge a été appliquée dans un sens avec les cycles de chargement et de déchargement. À partir des mesures expérimentales, nous avons conclu que le modèle de plasticité peut bien représentée le comportement de la connexion structurale. Paramètres constitutifs ont été déterminés à partir des résultats de l'expérimentation, on a utilisé une poutre géométriquement exacte avec la loi bilinéaires renforcement du matériel et la loi linéaire pour le ramollissement. Également, on a effectué des essais expérimentaux de deux types de raccords en acier en cas de chargement cyclique. Les données mesurées montrent que le modèle de la plasticité n'est pas assez bon pour décrire le comportement de connexion pour ce type de charge. A savoir, en raison de changements du sens de l'application du chargement, les connexions montrent moins de rigidité, qui peut être décrite avec un modèle constitutif de dommages. Pour cette raison, nous avons développé un nouveau modèle plasticité-dommages qui est capable d'inclure le phénomène mentionné ci-dessus. A la fin de cette section est faite l'identification des paramètres constitutifs. La deuxième partie de la thèse de doctorat est composé de formulations théoriques et la mise en œuvre numérique des faisceaux géométriquement exacte. La réponse de durcissement de la poutre comprend l'interaction entre les forces de la section résultant du stress (N, T et M), et la réponse de ramollissement est définit par la loi non linéaire. Ce type d'élément fini de poutre est capable de décrire le comportement ductile des structures en acier et inclure les effets du second ordre, qui sont très importantes pour l'analyse ultime des structures de cadre en acier. L'élément fini développé de poutre géométriquement exacte et les lois définies de liaison de comportement dans la construction en acier, offrant la possibilité d'une analyse de haute qualité des structures en acier. En utilisant les modèles de poutre proposé et la méthodologie de modélisation des structures de châssis en acier, il est possible de déterminer une distribution réaliste des forces de section transversale , y compris la redistribution due à la formation de rotules plastiques. / This thesis deals with the ultimate load limit analysis of steel frame structures. The steel frame structure has a very ductile response and a large potential to dissipate energy, which is crucial in the case of earthquakes. The ductility in the response of the structure comes from the behavior of the material itself and the behavior of the semi-rigid structural connections. The semi-rigid connections between beams and columns can significantly influence the response of the structure, sometimes up to 30%. In this thesis, we propose a methodology for modeling steel frame structures with included connection behavior. The idea is to model the behavior of the structural connections by the beam elements positioned in the corners of the steel frame structure. Other members of the steel frame structure, steel beams, and columns, will be modeled with nonlinear beam elements. This research consists of two parts. The first part deals with the behavior of the structural steel connections. In the second part, we present the development of the nonlinear beam element capable of representing the ductile behavior of steel structural elements, beams and columns. In the first part of the thesis, we define constitutive parameters identification procedure for the coupled plasticity-damage model with eighteen unknowns. This constitutive model is very robust and capable of representing a wide range of problems. The identification procedure was used in the preparation of experimental tests for three different types of structural steel connections. The experimental tests have been performed for two load cases. In the first, the load was applied in one direction with both the loading and unloading cycles. From the experimental measurements, we have concluded that the response of the experimental structure can be represented by the plasticity model only because no significant change in the elastic response throughout the loading program was observed. Therefore, we have chosen an elastoplastic geometrically exact beam to describe connection behavior. The hardening response of the beam is governed by bilinear law, and the softening response is governed by nonlinear exponential law. The identification of the parameters has been successfully done with fifteen unknown parameters identified. The two types of the experimental structures were also exposed to the cyclic loading. Measured experimental data shows complex connection behavior that cannot be described by the plasticity model alone. Namely, after changing load direction stiffness of the connection decreases. This suggests that the damage model should be incorporated in the constitutive law for the connections behavior as well. Therefore, we propose a new coupled plasticity-damage model capable of representing the loss in the stiffness of the connection with the changing of the load direction. At the end of this part, we also give the constitutive parameters identification for the proposed model. The second part of the thesis deals with the theoretical formulation and numerical implementation of the elastoplastic geometrically exact beam. The hardening response of the beam includes interaction between stress resultant section forces (N, T and M), and the softening response of the beam, which is governed by the nonlinear law. This type of the beam element is capable of representing the ductile behavior of a steel frame structure, and it takes into account second order theory effects. Performed numerical simulations show that the proposed geometrically nonlinear beam element is very robust and is able to provide a more precise limit load analysis of steel frame structures. By using proposed methodology for modeling steel structures, we are able to obtain the real distribution of section forces, including their redistribution caused by forming of the hinges and the connections behavior.

L'endommagement des matériaux ductiles est un processus impliquant trois étapes : la nucléation, la croissance et la coalescence de vides. La phase de croissance des vides a été largement étudiée dans la littérature. Il a été montré que, durant cette étape, la forme des vides joue un rôle fondamental sur le comportement macroscopique du matériau. Dans le cas de sollicitations dynamiques, les effets micro inertiels, qui résultent des accélérations subies par la matrice au voisinage du vide, influent eux aussi fortement sur la croissance des vides. Cependant, les travaux intégrant simultanément ces deux contributions (effets inertiels et forme) sont très rares. L'objectif de ce travail est de proposer un modèle de comportement pour les matériaux poreux qui prend en compte la forme des vides et les effets micro inertiels. Dans une première partie, un volume élémentaire représentatif défini par deux ellipsoïdes allongés confocaux est utilisé pour représenter le matériau poreux. La matrice est rigide viscoplastique. En se basant sur les travaux de Molinari et Mercier (2001), la contrainte macroscopique se décompose en une partie statique et une partie dynamique. La contrainte statique est décrite par le modèle de Gologanu et al. (1997). La contrainte dynamique est obtenue en adoptant le champ de vitesse de Gologanu et al. (1993). Avec cette modélisation, il est montré que la contrainte dynamique est liée de façon quadratique au tenseur des vitesses des déformations et de façon linéaire à sa dérivée par rapport au temps. Le modèle fait l'objet d'une validation sur la base de comparaisons avec des résultats de calculs par éléments finis. Différentes forme de vides et valeurs de la porosité ont été considérées. Dans une seconde partie, le cas de matériaux contenant des vides aplatis est abordé ; le volume élémentaire représentatif est défini par deux ellipsoïdes confocaux aplatis. La contrainte statique est toujours décrite par le modèle de Gologanu et al. (1997). La contrainte dynamique est obtenue en adoptant le champ de vitesse de Gologanu et al. (1994). La procédure de validation est identique à celle mise en œuvre dans le cas des vides allongés. Une bonne adéquation entre les résultats du modèle et les résultats de calculs par éléments finis est retrouvée. L'utilisation des surfaces d'écoulement permet de mettre en lumière les effets de la forme des vides sur le comportement du matériau poreux sous chargement dynamique. En fonction du chargement appliqué, certaines géométries de vide favorisent la déformation du matériau. Le cas particulier du vide sphérique est étudié comme limite des deux modèles. La continuité des deux modèles est démontrée. L'évolution de la porosité et de la forme des vides dans un matériau poreux sous chargement dynamique est analysée. Des comparaisons avec des résultats de simulations par éléments finis sont proposées. L'influence de la triaxialité et de la vitesse du chargement sur le comportement dynamique du matériau poreux est étudiée, ainsi que celle de la forme initiale du vide. Au final, il est démontré que le modèle développé dans cette thèse permet de retrouver les tendances fournies par les calculs éléments finis / The ductile fracture mechanism involves three stages: void nucleation, void growth and void coalescence. Under dynamic loading conditions, void growth is strongly affected by microinertia effects resulting from the local acceleration of the matrix material in the vicinity of the void. Several works devoted to quasi-static conditions also show that void shape has a strong impact on the behavior of porous ductile materials. However, there exist only few works considering the combined effect of these two contributions. In the present work, we propose an original, multi-scale constitutive model of porous materials, taking into account void shape and micro-inertia effects. In a first step, a representative volume element defined by two confocal prolate spheroids is used to represent the porous material. The matrix behavior is assumed to be rigid-viscoplastic. Based on the work of Molinari and Mercier (2001), the macroscopic stress is the sum of a static and a dynamic part. The static contribution is described by the Gologanu et al. model (1997). The dynamic stress is derived by choosing the trial velocity field proposed by Gologanu et al. (1993). With the present modeling, a link is established between the macroscopic dynamic stress, on the one hand and, the macroscopic strain rate tensor and its time derivative on the other hand. To validate the proposed model, finite element computations have been performed for different void geometries and void volume fractions. The influence of micro-inertia on the macroscopic flow surface is analyzed and a good agreement between modeling and simulations is observed. In a second step, a representative volume element defined by two confocal oblate spheroids is used to represent the porous material. For this configuration, the static contribution is also described by using the Gologanu et al. model (1997), while the derivation of the dynamic stress is based on the trial velocity field proposed by Gologanu et al. (1994). As for the prolate case, a good agreement is retrieved between model predictions and results of finite element computations. The spherical void configuration is investigated as the limit case for the oblate and prolate models. The continuity between the two models is established. Finally, the proposed models are combined to investigate the porosity and void shape evolutions in a porous solid under dynamic loadings. A parametric study has been performed by varying the stress triaxiality, the initial void shape and the loading rate. Significant void shape variations are observed for low triaxiality loadings. With the present modeling, the void can evolve from prolate to oblate shapes (and the reverse). Model predictions are compared to finite element computations

Les profils de sismique réflexion de Marges Passives Volcaniques imagent une croûte inférieure réflective formée de deux domaines distincts. Ces réflecteurs sont interprétés comme des intrusions mafiques associées à la formation de la marge. Les observations géophysiques ne permettent pas de comprendre les conséquences associées à la mise en place de ces magmas sur la rhéologie et la déformation effective de la croûte inférieure des marges volcaniques. Cette thèse explore deux exemples géologiques de croûte inférieure à l’affleurement qui ont été affectés par d’importants volumes magmatiques pendant leur histoire extensive : la Zone d’Ivrée (Alpes italiennes) et la province de Seiland (Calédonides finmarkiennes). Une étude approfondie de terrain, associée à des analyses géochimiques et isotopiques ainsi qu’à des expériences de déformation en Presse Paterson permet, (1) de définir la structure synthétique finie d’une croûte inférieure extensive affectée par un ou plusieurs épisodes magmatiques intenses et d'identifier dans la Zone d’Ivrée une croûte moyenne ductile, dans laquelle s’enracinent les failles de la croûte supérieure, (2) de montrer l’évolution de la rhéologie et de la déformation ductile de la croûte inférieure relativement à la mise en place des magmas (3) de caractériser à partir de Seiland l’interface croûte manteau dans un contexte d’extension synmagmatisme mafique. L’ensemble des résultats montre la complexité des relations, à la fois structurales, spatiales et temporelles, entre les magmas et roches mafiques et la déformation en extension dans la croûte inférieure. / Seismic reflection profiles of Volcanic Passive Margins show a two-domain reflective lower crust. The particular reflectors are interpreted as mafic intrusions associated to the margin evolution.From those geophysical observations it is not possible to understand the consequences of mafic magma emplacement on the rheology and effective deformation of volcanic margins lower crust. This thesis explores two geologic examples of outcropping lower crusts affected by important volumes of magma during their extensional story: the Ivrea Zone (Italian Alps) and Seiland (Finmarkian Caledonides). An important field study associated to geochemical and isotopic analyses, and to Patersonapparatus deformation experiences led to (1) define a synthetic structure of an extensional lower crust affected by one or more major magmatic events and to indentify a ductile middle crust in the Ivrea Zone where roots the upper crust faults, (2) show the rheologic and deformation evolution of the lower crust in relation to magma emplacement timing, (3) characterize, from Seiland observations, the crustmantle interface in an extensional System. The whole study shows the complexity of the temporal, spatial and structural relationships between mafic rocks (as magma and as crystallised rock) and extensional deformation in the lower crust.

De récents travaux consacrés à l’étude des propriétés des matériaux aux petites échelles ont souligné des différences exceptionnelles dans le comportement mécanique des nano-objets par rapport aux matériaux massifs. Dans le cas du silicium, une transition fragile-ductile à température ambiante a été observée lorsque la taille des échantillons est réduite. Cependant, les défauts et les mécanismes à l’origine de ce changement de comportement n’ont pas été clairement identifiés. Ce travail repose sur l’étude post mortem de nanopiliers déformés, en utilisant différentes techniques de microscopie électronique. Les nanopiliers étudiés ont été préparés par gravure plasma et déformés en compression à température ambiante. Les résultats obtenus durant cette thèse, confirment la différence de comportement des nano-objets par rapport au matériau massif. Par ailleurs, une grande variété de défauts produits lors de la compression a été observée. L’orientation cristallographique de l’axe de sollicitation semble avoir un impact important sur les mécanismes à l’origine du comportement ductile observé. La comparaison entre images HRTEM expérimentales et simulées témoigne de la propagation simultanée de dislocations partielles et parfaites dans les plans {111}. De plus, des événements plastiques ont également été observés dans des plans {115}. Divers mécanismes de déformation possibles impliqués lors de la compression des piliers sont décrits à partir des observations microscopiques. Un modèle tenant compte de l’influence sur la mobilité des dislocations des interactions entre systèmes de glissement est proposé afin d’expliquer la transition fragile-ductile observé aux petites échelles / Several recent works devoted to the study of the properties of materials at small scales have revealed exceptional differences in the mechanical behavior of nano-objects as compared to bulk material. In the case of silicon, a brittle-ductile transition at room temperature has been observed when the sample size decreases. However, the extended defects and mechanisms behind this behavioral change have not been clearly identified. This work is based on the post mortem study of deformed nanopillars, using different electron microscopy techniques. The studied nano-pillars of 100 nm in diameter were prepared by plasma etching (RIE) and deformed in compression at room temperature. The results obtained during this thesis confirm the difference in the behavior of nano-objects compared to bulk material. Moreover, a large variety of defects produced during plastic deformation has been observed. The crystallographic orientation of the deformation axis seems to have a significant impact on the mechanisms behind the observed ductile behavior. The comparison between experimental and simulated HRTEM images notably evidences the simultaneous propagation of partial and perfect dislocations in {111} planes. In addition, unexpected plastic events have also been observed in {115} planes. Various possible deformation mechanisms involved during the nano-compression of the pillars are described, based on the microscopic observations. Finally, a model considering the influence of interactions between various activated systems on the mobility of dislocations is proposed to explain the brittle-ductile transition observed at small scales in silicon

Ce travail présente une caractérisation expérimentale de la localisation de la déformation et la rupture sur un matériau synthétique analogue de la roche dans différentes conditions de chargement axisymétrique. L’évolution de la localisation de la déformation a été caractérisée par la technique de corrélation d’images bidimensionnelle. Deux gammes d’essais en compression et en extension ont été réalisées à différentes pressions de confinement Pc. Profitant de la technique DIC et de la caractérisation détaillée des propriétés constitutives de GRAM1 par Mas et Chemenda (2014; 2015), nous montrons que l'initiation de la localisation des bandes de déformation est précédée par la déformation élastique uniforme puis la déformation élasto-plastique. La localisation de la déformation est initiée dans le régime de dilatance (la dilatance β est positive) et d’adoucissement (le module d’écrouissage h est négatif). Au cours de l'évolution du chargement, la déformation à l'intérieur de la bande de localisation de la déformation devient compactive (β <0) et est accompagnée par un durcissement du matériau (h> 0). Ceci provoque dans un premier temps l’élargissement de la bande puis l’apparition de nouvelles bandes qui se forment successivement. La formation de ces nouvelles bandes provoque un ralentissement de la déformation dans les bandes préexistantes, ce qui densifie progressivement le réseau. Dans les essais en extension axisymétrique, les fractures se forment perpendiculaires à la contrainte principale mineure σ3 sous un état de contrainte extensif à faible Pc puis compressif quand Pc augmente. Nos résultats présentent une transition continue de la fracture extensive à la fracture cisaillante avec une augmentation de la contrainte compressive. Ceci est en accord avec les résultats obtenus pour les essais en extension réalisées sur des roches naturelles (Ramsey et Chester, 2004 ; Bobich 2005) / This work presents an experimental characterization of the strain localization and the rupture on a granular rock analogue material under different conditions of axisymmetric loading. The evolution of the strain localization was characterized by the two-dimensional image correlation technique. Two series of triaxial compression and extension tests were carried out at different confining pressure Pc. Taking advantage of the DIC technique and detailed characterization of GRAM1’s constitutive properties by Mas and Chemenda (2014, 2015), we show that the initiation of deformation localization bands is preceded by the uniform elastic and then elasto-plastic deformation. The strain localization is initiated in the dilatant regime (positive dilatancy factor β) and strain-softening (negative hardening modulus h). During the band evolution, the deformation within it becomes compactive (β<0) and is accompanied by the material hardening (h>0), which causes the band to widen and new bands to form successively. The formation of new bands causes a slowing down the deformation within the prior bands, which makes the progressively densified band network to continuously evolve. In axisymmetric extension tests, the fractures are formed perpendicular to the minor principal stress σ3 in an extensive stress state at low Pc then compressive when Pc increases. Our results show a continuous transition from the extensive fracture to shear fracture with an increase of compressive stress. This is suitable of the results obtained for extension tests performed on natural rocks (Ramsey and Chester, 2004; Bobich, 2005)

Au cours des dernières décennies, des efforts importants ont été menés dans la modélisation des processus de rupture ductile entraînant des progrès substantiels. Cependant, la compréhension complète des mécanismes de rupture ductile dans des états de contraintes spécifiques demeure une question ouverte. Ceci est dû au manque de bases des données expérimentales et à la non validation des modèles pour ces conditions de chargement. Dans ce travail, les acquisitions de données sont principalement obtenues en utilisant la laminographie, ce qui rend possible l'imagerie de régions d'intérêt d'échantillons plats. L'utilisation d'éprouvettes larges (et minces) permet de générer différents états de contraintes et des conditions aux limites pertinentes pour l'ingénierie, qui ne pouvaient pas être évaluées jusqu'à présent en trois dimensions et en essais in-situ à des échelles micrométriques. La corrélation d'images volumiques (DVC) est utilisée pour mesurer les champs de déplacement à l'intérieur des échantillons en acquérant des images de laminographie 3D. Deux classes de matériaux représentatives de deux modes génériques de rupture ductile ont été examinées, à savoir les alliages d'aluminium (rupture par instabilité) et la fonte à graphite sphéroïdal (rupture par croissance de vide et coalescence).L'observation de la microstructure et les interactions déformations-endommagement pour différentes géométries d'échantillons et pour différents niveaux de triaxialité des contraintes associés ont été étudiées pour des alliages d'aluminium à une résolution micrométrique. De plus, un cadre combiné numérique-expérimental (DVC-FE) est introduit pour valider les simulations numériques à l'échelle microscopique pour la fonte à graphite sphéroïdal. Les simulations par éléments finis (FE), qui représentent la microstructure des matériaux étudiés, sont conduites avec des conditions aux limites de Dirichlet extraites des mesures DVC. Enfin, le cadre DVC-FE a été amélioré et utilisé comme une procédure d'identification intégrée pour l'étude du comportement élasto-plastique de la matrice ferritique de la fonte, non seulement en termes de champs cinématiques induits par la microstructure aléatoire, mais aussi avec les niveaux de charge globaux. / In the last few decades significant efforts have been made in modeling ductile failure processes resulting in substantial progress. However, the full understanding of ductile failure mechanisms under specific stress states still remains an open question. This is partly due to missing experimental data and validation of models for such loading conditions.In this work, data acquisitions are mainly obtained by using laminography, which makes the imaging of regions of interest in flat samples possible. The use of large (and thin) specimens allows various stress states and engineering-relevant boundary conditions to be generated, which could not be assessed in three dimensions and in-situ at micrometer scales before. Digital Volume Correlation (DVC) is used for measuring displacement fields in the bulk of samples by registering 3D laminography images. Two material classes that are representative of two generic modes of ductile failure have been examined, namely, Al-alloys (failure by instability) and cast iron (failure by void growth and coalescence). The observation of microstructure and strain-damage interactions at micrometer resolution for various specimen geometries and associated levels of stress triaxiality are studied for Al-alloys. Additionally, a combined computational-experimental (DVC-FE) framework is introduced to validate numerical simulations at the microscopic scale for nodular graphite cast iron. Finite Element (FE) simulations, which account for the studied material microstructure, are driven by Dirichlet boundary conditions extracted from DVC measurements.Last, the DVC-FE framework is upgraded to an integrated identification procedure to probe elasto-plastic constitutive law of the cast iron ferritic matrix not only in terms of kinematic fields induced by the random microstructure but also by overall load levels.

Doctor of Philosophy / Department of Industrial & Manufacturing Systems Engineering / Zhijian Pei / Poor machinability of hard-to-machine materials (such as advanced ceramics and titanium) limits their applications in industries. Ultrasonic-vibration-assisted grinding (UVAG), a hybrid machining process combining material-removal mechanisms of diamond grinding and ultrasonic machining, is one cost-effective machining method for these materials. Compared to ultrasonic machining, UVAG has much higher material removal rate while maintaining lower cutting pressure and torque, reduced edge chipping and surface damage, improved accuracy, and lower tool wear rate. However, physics-based models to predict cutting force in UVAG have not been reported to date. Furthermore, edge chipping is one of the technical challenges in UVAG of brittle materials. There is no report related to effects of cutting tool design on edge chipping in UVAG of brittle materials. The goal of this research is to provide new knowledge of machining these hard-to-machine materials with UVAG for further improvements in machining cost and surface quality. First, a thorough literature review is given to show what has been done in this field. Then, a physics-based predictive cutting force model and a mechanistic cutting force model are developed for UVAG of ductile and brittle materials, respectively. Effects of input variables (diamond grain number, diamond grain diameter, vibration amplitude, vibration frequency, spindle speed, and federate) on cutting force are studied based on the developed models. Interaction effects of input variables on cutting force are also studied. In addition, an FEA model is developed to study effects of cutting tool design and input variables on edge chipping. Furthermore, some trends predicted from the developed models are verified through experiments. The results in this dissertation could provide guidance for choosing reasonable process variables and designing diamond tools for UVAG.

Il est crucial de garantir l'intégrité des cuves de réacteurs à eau pressurisée (REP) en cas de fonctionnement accidentel : dans ce contexte, la compréhension et la modélisation des mécanismes de rupture fragile des aciers constituent des éléments décisifs de l'évaluation complexe des durées de vie des cuves.<br /><br />Les modèles d'approche locale de la rupture par clivage constituent l'un des principaux outils de prédiction de la ténacité des aciers faiblement alliés. La dispersion des contraintes à rupture est interprétée comme un effet de la distribution des défauts dans la microstructure, mais l'effet des hétérogénéités mécaniques n'est pas pris en compte. Or, en dessous d'une température de transition de comportement Ta (de l'ordre de 25°C), les mécanismes de déformation sont grandement affectés par la température et la vitesse de déformation.<br /><br />Notre approche consiste à prendre en compte l'effet des hétérogénéités de contraintes dans un critère local d'amorçage du clivage. Les résultats de calculs de microstructure sont utilisés pour proposer une description statistique de l'évolution des distributions de contraintes locales. Cette approche statistique permet de proposer un modèle d'approche locale de la rupture dépendant à la fois des hétérogénéités mécaniques et des distributions de tailles de défauts.<br /><br />Le comportement du matériau et son évolution sont caractérisés aux échelles microscopique et macroscopique dans le domaine de température [25°C,-196°C]. Des essais de traction simple, de sauts de vitesse et de température, et de ténacité sont réalisés.<br /><br />Nous proposons un modèle de comportement micromécanique décrivant le comportement plastique en dessous de la température de transition Ta. La loi de comportement est basée sur les mécanismes de déformation décrits dans la bibliographie et identifiées par méthode inverse à partir des essais mécaniques. Les observations au MET et la caractérisation du comportement activé thermiquement permettent de fixer plusieurs paramètres du modèle.<br /><br />Des simulations sont réalisées afin de modéliser les distributions de contrainte principale Σ1 dans deux microstructures bainitiques correspondant au volume élémentaire de l'approche locale de la rupture. L'effet de la température et de la triaxialité sur l'évolution des hétérogénéités est caractérisé. Nous proposons une fonction de distribution décrivant la distribution des valeurs locales de Σ en fonction des contraintes principales et équivalente <Σ> et <Σmises> moyennes dans la microstructure.<br /><br />Cette fonction est utilisée pour formuler un modèle d'approche locale de la rupture intégrant la distribution des tailles de défauts critiques et les distributions de Σ1.. On montre que dans certains cas, la dispersion des contraintes locales suffit à expliquer les dispersions des contraintes à rupture à l'échelle du volume élémentaire. Les dispersions de contraintes à rupture sont en accord avec celles prédites par le modèle de Beremin. La prise en compte des hétérogénéités mécaniques permet d'introduire une dépendance de la probabilité de rupture en fonction de la température, de la déformation et de la triaxialité. Il reste à appliquer le modèle d'approche locale au calcul d'éprouvettes CT et de comparer les dispersions de ténacités simulées à celles mesurées expérimentalement.

Existing specifications for asphalt cement employ insufficient aging and conditioning times prior to testing and low strains during the actual test which are insufficient to predict asphalt performance, especially if the materials are modified with additives such as those used for warm mix technology. However, slightly modified protocols, like increasing the conditioning time in the bending beam rheometer (BBR) test and increasing the aging duration in the pressure aging vessel (PAV), predict asphalt performance better than the current Superpave™ specification. These improved protocols are published as new test standards through the collaborative effort between the Ontario Ministry of Transportation and Queen’s University. In this study, the effects of warm mix and other additives on rheological, aging and failure properties are investigated. The properties are measured by regular tests and by modified protocols. The latter include the extended BBR test (LS-308) and the double-edge-notched tension (DENT) test (LS-299). Changes in ductile strain tolerance within base asphalts due to the various additives as measured with the DENT test were found to be very significant. The DENT results like essential work of fracture, we, plastic work of fracture term, βwp, and critical crack tip opening displacement, CTOD, are usually helped to correlate with the cracking distress survey results of the pavement in service. The addition of amide and polyethylene waxes risks increasing the cracking susceptibility in the pavement. They show a negative effect on strain tolerance in the ductile state, which is likely to show up as premature and/or excessive cracking in service which is similar to their physical hardening behavior from low temperature grading and extended BBR testing. / Thesis (Master, Chemistry) -- Queen's University, 2013-02-26 11:10:41.08