Les solutions solides (1-x)Na0,5Bi0,5TiO3 (NBT) – xCaTiO3 (CT) ont été étudiées par diffraction des rayons X, spectroscopie Raman, microscopie électronique à balayage, spectroscopie d’impédance et DSC. Ce sont des matériaux présentant la structure cristalline pérovskite. L’étude révèle la complexité mais aussi la richesse des phénomènes physiques dans cette famille de composés : les séquences des transitions de phases, l’influence du dopant Ca2+ sur les propriétés physico-chimiques du matériau, la relation étroite entre propriétés diélectriques et caractéristiques structurales. Des solutions solides (1-x)NBT – xCT, avec 0 ≤ x ≤ 1,00, ont été synthétisées par voie solide classique puis frittées selon une procédure spécifique dans un milieu confiné pour éviter toute perte de sodium et de bismuth. Les caractéristiques cristallines des solides obtenus imposent clairement de distinguer trois domaines suivant les valeurs de x. En effet, pour les valeurs croissantes de x et à la température ambiante, on observe un premier domaine (Région I, pour x ≤ 0,07) dans lequel le solide obtenu est une solution solide de structure cristalline, de groupe d’espace R3c, identique à celle de NBT pur. Pour les valeurs les plus élevées de x (Région II, pour x ≥ 0,15), le solide obtenu est une solution solide de structure cristalline, de groupe d’espace Pnma, identique à celle de CT pur. Enfin, entre ces deux domaines (Région III, 0,09 ≤ x ≤ 0,13), les solides obtenus sont biphasés, R3c + Pnma, en se limitant aux appellations des groupes d’espacé des phases formées. Dans la région I, lors du chauffage, la séquence des transitions de phases R3c → P4bm → Pm3m est mise en évidence; les températures des transitions se déplacent vers les plus basses températures quand la concentration en Ca2+ augmente. Les solides sont ferroélectriques à l’ambiante puis développent un caractère relaxeur, par coexistence de deux phases, avec l’augmentation de la température. Dans la région II, les solides révèlent un comportement relaxeur dès l’ambiante. Une transition de phase diffuse au sein de la phase orthorhombique Pnma est toutefois mise en évidence ; le solide passe d’un état relaxeur à un état paraélectrique tout en conservant, a priori, la même structure cristalline. Le phénomène de relaxation dans ces composés est expliqué par la formation de micros ou nanorégions polaires. La région III, quant à elle, est caractérisée par l’apparition d’une hystérésis thermique mise en évidence pour la première fois ; elle est expliquée par la relation entre la microstructure cristalline et les propriétés diélectriques. Enfin, l’ensemble de nos résultats a été regroupé dans un diagramme de phase original en composition et en température. / The solid solutions (1-x)Na0,5Bi0,5TiO3 (NBT) – xCaTiO3 (CT) were studied by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, impedance spectroscopy and DSC. These materials have a perovskite crystalline structure. This study reveals not only the complexity but also the richness of physical phenomena in these compounds: phases transitions sequences, the Ca2+ effect on the physical-chemistry properties and the relation between dielectric properties and crystalline structure. Thereby, (1-x)NBT – xCT solid solutions (0 ≤ x ≤ 1.00) were synthesized by chemical solid route, then they were sintered by a particular procedure in order to avoid sodium and bismuth volatilization. The solid crystalline characteristics obtained prove clearly the necessity to distinguish three fields as a function of x values. First of all, for increasing x at room temperature, there is a first region so called region I (x ≤ 0.07), wherein the crystalline structure of solid solutions obtained has a space group R3c identical to that of pure NBT. For the highest values of x, (Region II, x ≥ 0.15), the solid obtained has a space group Pnma, identical to that of pure CT. Finally, between these two regions, (0.09 ≤ x ≤ 0.13), the solid solutions obtained are biphasic, R3c + Pnma, limited to appellations of the space groups formed phases. In region I, upon heating, phase transition sequence R3c → R3c + Pnma → Pnma was determined; the corresponding transition temperatures move to low values with increasing Ca2+ concentration. These solids are ferroelectric at room temperature and then develop a relaxor character, by coexistence of two phases, with increasing temperature. In region II, these solids reveal a relaxor behavior at room temperature. However, a diffuse phase transition within the orthorhombic phase Pnma has been identified; the solid changes from relaxor to paraelectric while maintaining the same crystal structure. This phenomenon was explained by the formation of micro or nano-polar regions. Region III, demonstrated for the first time, is characterized by thermal hysteresis, and explained by the relation between crystalline microstructure and dielectric properties. Finally, all our results were assembled in an original phase diagram as a function of concentration of Ca2+ dopant and temperature.

La modélisation du transfert de nitrates a été étudiée à différentes échelles de bassins versants. Un modèle semi-distribué à pas de temps journalier a été élaboré et testé sur des sous-bassins de la Charente (France). Il prend en compte les transferts d'azote depuis les apports de fertilisants jusqu'à la dénitrification dans le cours d'eau. Le but principal recherché est la simulation de la concentration en nitrates à l'exutoire des bassins versants. Un modèle hydrologique de type conceptuel (GR3) a été choisi et adapté à la simulation du transfert de nitrates. Le modèle conceptuel de lessivage est relié de manière étroite au modèle pluie - débit, tant par les variables d'état que par les paramètres. Le calage a été fait sur les sous-bassins où sont connus, à la fois, les débits et les concentrations. L'utilisation du modèle est ensuite étendue à des bassins sur lesquels on ne dispose que d'un seul de ces deux termes ou bien d'aucun d'entre eux. Le modèle résultant de ces travaux a été appliqué à la fois sur un grand bassin versant d'environ 9500 km2 (la Charente), sur ses stations intermédiaires de suivi de qualité de l'eau et sur un petit sous-bassin expérimental d'environ 5,5 km2 (le Ruiné). Les résultats montrent que le modèle reproduit d'une manière correcte la tendance à long terme des flux. Les variations saisonnières sont bien respectées pour la plupart des stations à défaut de rendre compte de toutes les valeurs isolées. Le comportement de la concentration en nitrates pendant les crues a été étudié sur le Ruiné à un pas de temps horaire. Nous avons observé, dans la relation avec les débits, des formes d'hystérésis analogues à celles qui se présentent avec les matières en suspension, ce qui témoigne de la complexité des phénomènes de lessivage et de transfert dans ce bassin versant. Ces processus ne peuvent être convenablement reproduits à l'heure actuelle, qu'au prix d'une variation des paramètres du modèle qu'il reste encore à expliquer.

Le dimensionnement d'ouvrages importants, comme les centrales nucléaires sous sollicitations vibratoires ou sismiques, requiert l'étude du comportement des sols de fondation sous l'effet de chargements dynamiques intenses. Dans le but de mieux connaître les phénomènes d'amortissement du sol, un code de calcul capable de simuler la propagation d'une onde sismique de cisaillement dans un milieu dissipatif a été développé. Ce programme, fondé sur un modèle non linéaire hystérétique utilisant les algorithmes de Newmark-Wilson, Newton-Raphson et une discrétisation spatiale à pas variables, s'affranchit des difficultés liées aux discontinuités accéléromètriques. Ces simulations pourraient permettre l'identification des paramètres du sol par comparaison avec des mesures in situ.

Les travaux de recherche que je mène depuis une dizaine d'années, au Laboratoire d'Ingénierie des Matériaux de Bretagne, portent principalement sur deux domaines : la modélisation des procédés de mise en forme des matériaux métalliques et la simulation du comportement de matériaux polymères. Sachant que les conditions d'emplois et de mise en forme des matériaux sont de plus en plus sévères, l'objectif de ces thématiques est d'améliorer la caractérisation et la modélisation du comportement mécanique des matériaux. Tout d'abord, en cherchant à intégrer des phénomènes mécaniques mal maîtrisés (effets de la vitesse de chargement élevée, sensibilité à la température et dépendance du chemin de chargement) ensuite, en développant des méthodes expérimentales ad hoc permettant de mesurer ces phénomènes, et enfin, en mettant en oeuvre des stratégies numériques originales, en tentant de simuler au mieux ces phénomènes. Ces travaux, s'effectuant dans des domaines de transformations finies, un formalisme en grandes transformations s'appuyant sur la description du mouvement du solide par les coordonnées matérielles entraînées a d'abord été précisé. L'étude de l'intégration temporelle du taux de déformation dans différents repères objectifs a montré l'importance du repère en rotation logarithmique et que la dérivée dans le repère corotationnel n'en était qu'une approximation. Ces restrictions à l'esprit, la modélisation de la prédiction du retour élastique lors de la mise en forme des alliages d'aluminium et de la prise en compte de la température au cours de ces étapes a pu être évaluée à travers le test d'ouverture d'un anneau découpé dans un godet cylindrique. L'influence combinée des modèles de comportement, des paramètres numériques, des modes de découpe numérique et du type de modélisation thermomécanique a été analysée, montrant qu'il reste encore des progrès à réaliser pour la modélisation du retour élastique. Enfin, un modèle de comportement d'Hyperélasto-Visco-Hystérétique, discernant les phénomènes mécaniques observés grâce à plusieurs contributions en contrainte, a été appliqué sur deux matériaux polymères. Une méthode d'identification simple, rapide et nécessitant un seul essai de chargement interrompu par des phases de relaxation a permis de montrer l'existence dans ces matériaux des effets de la viscosité, de l'hyperélasticité et d'une partie hystérétique non-visqueuse. La prise en compte des effets de la température s'est également avérée concluante.

Ce travail de recherche porte sur le comportement des milieux poreux (triphasiques), plus particulièrement les sols non saturés sous sollicitations hydro-mécaniques. Un modèle constitutif élastoplastique couplé est développé. Ce modèle original est formulé selon les principes suivants: une loi constitutive est développée pour décrire le comportement de chaque phase (squelette solide, liquide, et gaz). Ensuite, des relations de couplage sont ajoutées entre chacune des phases. Pour le comportement du squelette solide, une loi élastoplastique non associée est adoptée, avec deux surfaces de charges, en cisaillement et en compression. La partie hydrique est décrite par une formulation qui permet de prendre en compte l'effet d'hystérésis. Ce modèle a été enrichi par une relation de couplage hydromécanique qui permet d'exprimer la pression d'entrée d'air en fonction de la porosité. Ensuite, le couplage complet se fait avec la contrainte effective de Bishop en utilisant une nouvelle définition du paramètre de succion χ grâce à laquelle, les différents phénomènes présents dans la réponse des milieux poreux sous différentes sollicitations peuvent être reproduits. Ce modèle est validé par une confrontation à des données expérimentales issues de la littérature sur différents types de sol (sable, limon,...). Le modèle est implanté dans le code aux éléments finis Cast3M. L'analyse de problèmes particuliers, tels que la mise en œuvre d'un cas test d'un sol d'assise soumis à un cycle pluvial, ainsi que l'étude de la stabilité d'une pente, permettent de montrer la capacité du modèle à reproduire le comportement des milieux poreux non saturés.

Réduire l’énergie générée par le frottement et dissipée dans les systèmes mécaniques réels est un des challenges actuels en tribologie. Ce point représente une importance toute particulière dans le domaine des transports terrestres. En réponse à cette nécessité, les constructeurs automobiles se concentrent sur la réduction de la consommation d'énergie en sélectionnant des lubrifiants et des matériaux appropriés d'une part et les systèmes mécaniques performants d'autre part. Grâce à leurs propriétés physiques et tribologiques en termes de réduction de la friction et de l'usure, les couches minces de DLC (Diamond-like Carbon) sont considérées comme l'une des solutions. Le comportement tribologique de couches minces de ta-C (carbone amorphe très dur dépourvu d’hydrogène) et de a-C:H (carbone amorphe hydrogéné) est ici exploré. D’autre part, des “lubrifiants verts“ et des additifs participant aussi à la réduction du frottement et de l'usure sont testés. Ces essais sont effectués dans différentes conditions en utilisant une nouvelle méthodologie expérimentale. Le tribomètre dynamique oscillant développé au LTDS possède la capacité de quantifier avec une très grande précision et sans recourir à une quelconque mesure de force, des niveaux de frottement faibles (dans la gamme 10 – 5 à 10 – 2), et permet en plus d’identifier différentes contributions du frottement. Dans un premier temps, une loi de frottement linéaire a été utilisée afin d’évaluer deux contributions de frottement. La première, μ0 est le coefficient transitoire de frottement quand la vitesse s’annule au changement de direction (du type frottement de Coulomb). La seconde, μ1, est une contribution dépendante de la vitesse de glissement. Ensuite, une étude numérique a été réalisée en appliquant une loi de frottement quadratique afin de mieux comprendre l'aspect dynamique des réponses libres. Cela nous a permis d'étudier numériquement la décroissance d’amplitude des oscillations déterminée grâce à la méthode de moindres carrés. Nous nous intéressons aussi à l‘étude des formes de l'enveloppe de ces oscillations en relation avec le modèle de frottement. Les résultats numériques et expérimentaux pour les lois de frottement linéaire et quadratique sont ensuite comparés. En complément, nous avons mesuré la force tangentielle correspondant aux tribosystèmes testés. Finalement, nous avons étudié numériquement un système dynamique masse-ressort à un degré de liberté, modélisé par la loi de frottement LuGre. Cette loi est décrite par le phénomène d’hystérésis et l’effet de décalage de temps qui ont été détectés expérimentalement. Les résultats expérimentaux obtenus avec le tribomètre oscillant montrent qu'ils sont qualitativement comparables à ceux obtenus en configuration classique cylindre-plan, travaillant à vitesse de glissement constante. Dans tous les cas, les résultats montrent la supériorité du tribosystème ta-C/ta-C dans la réduction du frottement μ0. De plus, les résultats numériques et expérimentaux sont cohérents. Cette étude montre qu’une loi de frottement quadratique est capable de décrire correctement toutes les formes d’enveloppes obtenues expérimentalement : droite, convexe, concave et une combinaison des formes convexe et concave. / Controlling friction is a one of the most significant challenges in the field of tribology. Its major purpose is directed towards the reduction of energy in real mechanical systems, especially in the area of transportation. In response to this necessity, the automobile industries are emphasizing on minimizing the consumption of energy by selecting the appropriate lubricants and materials on one hand and mechanical system with high performance on the other hand. DLC (Diamond-like carbon) coated surfaces are considered one of the solutions thanks to their physical and tribological properties in reducing friction and wear. In this study, we have been interested in investigating the friction behavior of both amorphous hydrogenated (a-C:H) and hydrogen-free tetrahedral amorphous carbon (ta-C) DLC coatings. Furthermore, some “green lubricants” and additives are tested which play a role in reducing friction and wear. These latter tests are performed at different operating conditions using a new experimental methodology, known as the dynamic oscillating tribometer. This original tribometer, developed at the Laboratory of Tribology and System Dynamics (LTDS), is able to measure the oscillatory motion corresponding to various tribosystems having low friction. This technique has the ability to quantify with remarkable precision and without any force transducer, low friction values (in the range of 10 – 5 to 10 – 2 ) and also to evaluate different friction contributions from the displacement and velocity-time responses of a mass-springdamper oscillating system. First, a linear friction law has been used for the systems tested in order to calculate two contributions of friction. The first one, μ0 is the transient friction coefficient at zero speed and the second one (Coulomb-type fiction), μ is a velocitydependent friction coefficient. Then, a numerical study is carried out in order to better understand the dynamic aspect of the oscillatory vibratory free responses. A quadratic friction law is used to model on the mechanical system of the apparatus. This allows us to study numerically the behavior of the decreasing amplitudes of the damping responses which are determined using the Averaging method. Furthermore, we are interested in studying the various forms of these oscillations’ envelop in relation with the polynomial expansion of the friction model. Also, numerical and experimental results are compared using both the linear and quadratic friction models. In addition, a particular attention is given to the measured tangential forces corresponding to our tribosystems. Finally, we study numerically a damped mass-spring single degree-of-freedom mechanical system, induced by LuGre friction law described by both hysteresis and lag effect which have been detected experimentally. Results show that friction tests performed with the oscillating tribometer can be qualitatively compared to those obtained with a conventional tribometer. Moreover, ta-C/ta-C surfaces reveal the lowest friction μ0 when tested by both oscillating and reciprocating tribometers. Also, both numerical and experimental results are found to be of good agreement. This study shows that a quadratic friction law is able to describe correctly the envelopes observed in our experimental tests: straight, convex, concave and a combination of both convex and concave.

Les travaux de recherche discutés dans ce manuscrit concernent la conception des générateurs de puissance électrique pour l'aéronautique. L’augmentation de la puissance massique de ces équipements passe par une augmentation des vitesses de rotation, donc une augmentation des contraintes. Un premier point est de s'assurer de la bonne tenue mécanique des matériaux. Un deuxième point est de pouvoir prendre en compte les modifications du comportement magnétique (et donc in fine du couple) lorsqu'ils sont soumis à un état de contraintes multiaxial. L’étude présentée vise en particulier à illustrer l’influence d'états de contraintes biaxiaux sur le comportement magnétique des matériaux constitutifs du rotor. Le défi repose sur la mise en place de méthodes de caractérisation du comportement magnéto-mécanique dissipatif uniaxial et multiaxial des nuances développées par Aperam et utilisées par Thales Avionics pour leurs applications aéronautiques (en FeCo-2V et Fe-3%Si à grains non orientés). Des essais non conventionnels seront effectués sur des échantillons en forme de croix de manière à s'approcher des contraintes réellement subies par le rotor. Les essais sont effectués sur la machine d'essai triaxiale Astrée du LMT-Cachan. L'état de contraintes est estimé par corrélation d'images et par diffraction des rayons X. Des mesures magnétiques anhystérétiques et de pertes d'énergie sous contraintes sont reportées. D'autre part, un modèle multi-échelle multiaxial, décrivant le comportement d’un VER à partir de l'équilibre énergétique à l'échelle microscopique sera présenté. L’approche est fondée sur la comparaison des énergies libres de chaque domaine. Une comparaison probabiliste est faite pour déterminer les variables internes que sont les fractions volumiques des domaines. Différentes stratégies envisageables pour modéliser la dissipation statique seront discutées. Puis nous présentons l’approche magnéto-élastique que nous avons retenue visant à une meilleure considération de l’effet de la contrainte sur le comportement des matériaux ferromagnétiques. / The research presented in this thesis is motivated by the design of rotors for high speed rotating machines. The increased power density of these devices requires a higher rotation speed, leading to higher levels of centrifugal forces and stress in the rotor. A first point is to ensure good mechanical strength of the materials. A second point is to take into account changes in the magnetic behavior (and ultimately torque) when they are subjected to a multiaxial stress state. The present study aims at exploring the influence of biaxial stress states on the magnetic behavior of the materials of the rotor. The challenge lies in the development of methods for the characterization of the magneto-mechanical dissipative uniaxial and multiaxial behavior of metal sheets developed by Aperam Alloy and used by Thales Avionics for their aeronautical applications (in FeCo-2V and non-oriented Fe-3%Si). Non conventional experiments are performed on cross-shaped samples in order to apply biaxial stress representative of the loadings experienced by rotors of rotating machines. These experiments are performed on a multiaxial testing machine, Astrée. Stress level is estimated thanks to digital image correlation and X-ray diffraction Both anhysteretic and dissipative magnetic responses to magneto-mechanical loadings have been recorded. On the other hand, a multi-scale multiaxial model describing the behavior of a RVE from the energy balance at the microscopic scale is presented. The approach is based on a comparison of the free energy of each domain. A probabilistic comparison is made to determine the volume fraction of domains used as internal variables. Different strategies for modeling the static dissipation are discussed. Then we present the chosen magneto-elastic approach, improving the description of the effect of stress on ferromagnetic materials behavior.

Étude du comportement d'un acier inoxydable 316L et d'un Inconel 718 dans le cadre d'un schéma thermomécanique à mémoire discrète constitué d'une équation multivoque, d'un critère d'inversion et d'un algorithme. Analyse détaillée des propriétés du comportement d'hystérésis pure. Etude des modules tangents aux courbes de charge. Mise en évidence de la restauration des propriétés du matériau après inversion et de la non-existence d'une discontinuité elastique-plastique dans le diagramme contrainte-déformation. Description de l'écrouissage en déformation à partir d'une analyse de la microstructure

En Bretagne, les « marées vertes » sont récurrentes depuis le début des années 70 et occupent une place importante dans le débat public en terme sanitaire, politique et économique. Lors de cette thèse, une large revue bibliographique a été réalisée sur l’export d’azote et une méthodologie innovante a été mise en place afin d’étudier la variabilité spatio-temporelle de l’export de nutriments dans 2 bassins versants à algues vertes à une échelle intra-annuelle et pendant des évènements extrêmes (évènements pluvieux, période touristique de basses eaux,…). Les bassins versants sélectionnés pour les expérimentations de terrain sont l’Ic et le Frémur (Côtes d’Armor). 3 types d’expérimentations ont été réalisées sur ces bassins versants : 1) Des campagnes de prélèvements ponctuels par temps sec et par temps de pluie (32 stations, 27 campagnes) ; 2) des prélèvements automatiques en crue (3 stations, 8 crues) ; et 3) la mesure haute fréquence (2 stations, en continu). Les paramètres hydrologiques et physico-chimiques classiques, les matières en suspension, les spectres UV et toutes les formes de macronutriments (carbone, azote, phosphore) ont été analysés lors de ces expérimentations. Les résultats obtenus confirment pour une part un certain nombre de résultats de la littérature. D’autre part, il met en lumière la relation carbone/nitrates, jusqu’à présent peu étudiée à différentes échelles spatio-temporelles et pendant des évènements pluvieux, qui semble pourtant primordiale dans la compréhension des phénomènes d’export de nitrates à l’échelle de l’année. Enfin, l’analyse de toutes les formes de nutriments révèle l’importance des formes particulaires issues de l’érosion des sols. Ces résultats soulèvent de nombreuses questions de recherche qui mériteraient un approfondissement afin d’améliorer la connaissance des transferts de nutriments dans les bassins versants et prioriser les actions de remédiations. Les perspectives de ce travail sont à la fois scientifiques et pratiques. Au niveau scientifique, les efforts de recherche sur la relation carbone/nitrate et l’identification de la fraction de carbone organique assimilable par les organismes dénitrifiants doivent être poursuivis. De même, l’amélioration des connaissances sur l’export de nutriments en crue passe par l’identification précise des sources de nutriments particulaires pendant les crues printanières. Au niveau pratique, il doit contribuer à l’amélioration des pratiques agricoles, à la reconnaissance de l’intérêt des zones humides naturelles et à l’amélioration des types de traitement utilisés par les stations d’épuration. Les résultats obtenus lors de cette étude devraient notamment être mis en relation avec la dynamique des nutriments observée dans l’estran pendant la période de développement des algues vertes. Enfin, un effort d’amélioration de l’accès à certains type de données sur les bassins versants est nécessaire afin d’améliorer la compréhension des transferts de nutriments. / In Brittany (Western France), "green tides" are recurrent since the early 70s and have an important place in public debate in health, political and economic terms. In this thesis, a wide bibliographic review was performed on the export of nitrogen, and an innovative methodology has been set up to study the spatial and temporal variability of nutrient export in two coastal watersheds on an intra-annual basis and during extreme events (rainfall events, tourist periods of low water, ...). Watersheds selected for the field experiments are Ic and Frémur (Côtes d'Armor). 3 types of experiments were performed on these watersheds: 1) Campaigns of grab samples by dry and wet weather (32 stations, 27 campaigns); 2) automatic sampling during floods (3 stations, 8 floods); and 3) high frequency measurement (2 stations, continuous). Conventional hydrological and physicochemical parameters, suspended solids, UV spectra and all forms of macronutrients (carbon, nitrogen, phosphorus) were analyzed during these experiments. The results confirm in part a number of results of the literature. Furthermore, it highlights the relationship carbon / nitrates far little studied at different spatial and temporal scales and during rainfall events, which however seems to be crucial in understanding of nitrate export. Finally, the analysis of all forms of nutrients reveals the importance of particulate forms from soil erosion. These results raise many research questions that merit further development in order to improve knowledge on nutrient transfers in watersheds and prioritize remediation actions. The prospects of this work are both scientific and practical. At the scientific level, research efforts on the relationship carbon / nitrate and identification of the assimilable fraction of organic carbon by denitrifying organisms must be continued. Similarly, the knowledge on nutrient export must be improved through the precise identification of particulate nutrient sources during the spring floods. On a practical level, it should contribute to the improvement of agricultural practices, the recognition of the interest of natural wetlands and improvement of the types of treatment used by treatment plants. The results obtained in this study should in particular be linked to the dynamics of nutrients in the foreshore observed during the development of green algae. Finally, an effort to improve access to certain types of data on watersheds is needed to improve understanding of nutrient transfers.