Les aciers contiennent de nombreuses inclusions : à base manganèse, aluminium, silicium, calcium, ... Leur impact individuel sur l'usinabilité demeure cependant mal connu dans la mesure où il est difficile de les isoler pour en quantifier l'influence. Une des premières tâches est de déterminer précisément leur effet tant sur le procédé en tant que tel (efforts, puissance, température) que sur les outils (nature et vitesse d'usure, modification chimique superficielle).De nombreuses études montrent la formation d'un « lubrifiant solide » à l'interface outil/copeau. Ce dépôt est parfois appelé « couche de transfert sélectif » (Build-up Layer). L'objectif de cette thèse est de savoir quels corps se cachent sous le vocable de « couche de transfert sélectif », quand cette couche est susceptible de se former, sur quelle partie de l'outil, dans quelles conditions opératoires, à quelle vitesse, pour quelles contraintes mécaniques et pour quelles températures. Est-elle susceptible de demeurer sur l'outil à l'arrêt de l'opération d'usinage ? A quelle vitesse se forme-telle ? Est-elle systématiquement stable ? / Steels contain many inclusions essentially composed by manganese, aluminium, silicium, calcium. However the influence of the different inclusions on machinability is poorly quantified. One of our first tasks is to determine precisely the effect of the inclusions on the metal cutting process as well as on the cutting tools. Many research works highlight a solid lubricant provided by the material being machined and spread along the tool-chip interface. This coating is so called Build up Layer.This thesis is devoted to answer some important questions: what is the actual composition of the Build-up Layer? Is it always the same for a tool machining a steel grade? When and where will the Build-up Layer appear? Is it stable?

Prédites en 1916 par Albert Einstein, puis détectées 100 ans plus tard par les collaborations LIGO et VIRGO, les ondes gravitationnelles constituent un outil prometteur pour observer l’univers sur des échelles toujours plus grandes. Cependant, pour accéder à de plus nombreux évènements, une des principales limitations des détecteurs provient du bruit thermique des couches minces composant leurs miroirs, couches minces non cristallines de SiO2 et Ta2O5 dopé TiO2.L’objectif de ce travail est d’étudier l’origine microstructurale du bruit thermique de ces couches en utilisant les spectroscopies vibrationnelles pour, à terme, obtenir des matériaux plus performants. Il a notamment été observé que le bruit thermique diminue lorsque les miroirs sont recuits à faible température. Dans la silice, nous observons une restructuration du matériau lors du recuit qui semble suivre la diminution du bruit thermique. En particulier, un relâchement des contraintes a été constaté. En revanche, dans le Ta2O5, matériau de structure complexe et encore mal connue, l’effet du recuit sur la structure des couches apparaît plus limité, alors que celles-ci cristallisent facilement dès que la température augmente. Pour compléter la connaissance de ce matériau, des mesures in-situ hautes pressions ont été réalisées. Finalement, le rôle du dopage des couches de Ta2O5 par du TiO2 a été exploré / Predicted in 1916 by Einstein, then detected one hundred year later by the VIRGO and LIGO collaborations, the gravitational waves are a promising tool to observe the universe at scales always bigger. However, to detect a larger number of events, one of the main limitation of the detectors originates in the mirrors coatings thermal noise, thin non-crystalline layers composed of SiO2 and TiO2-doped Ta2O5. The aim of this work is to study the micro-structural origin of the layers thermal noise, by using vibrational spectroscopies, in order to, ultimately, process more efficient materials. Studies show a decrease of the thermal noise when the mirrors are annealed at low temperature. In silica, a structural reorganization happens during the annealing, following the evolution of the thermal noise. Notably, a stress relaxation has been observed. However, in Ta2O5, oxide with a complex structure not much studied, the impact of the annealing seems to be more limited, while the structure crystallizes easily as soon as the temperature increases. To complete our knowledge of this structure, in-situ high pressure measurements were conducted. Finally, the TiO2-doping effect of the Ta2O5 structures was studied

La dissipation dans les systèmes mécaniques joue un rôle important dans la limitation des niveaux de vibrations qui peuvent causer des difficultés allant de l'inconfort jusqu'à la ruine des structures. L'amortissement intrinsèque des matériaux utilisés pour la fabrication de structures aéronautiques étant très faible, les jonctions représentent une des sources principales de dissipation. Dans le cadre du projet FUI MAIAS (Maitrise des Amortissements Induits dans les ASsemblages), les travaux présentés ici portent sur la maximisation de l'amortissement induit. Une grande partie des travaux de littérature s'intéressent à l'étude de jonctions élémentaires. On cherche donc ici à étudier la conception de jonctions dissipatives intégrées dans une structure globale. Pour limiter les applications, on se restreint plus particulièrement aux jonctions boulonnées rencontrées en construction aéronautique et à l'utilisation de matériaux viscoélastiques pour générer la dissipation.Une notion de couplage pour la mesure de la capacité des liaisons à dissiper est introduite pour s'assurer de leurs contributions au comportement vibratoire. En utilisant le couplage en tant que mesure de sensibilité des jonctions aux propriétés des matériaux viscoélastiques, en plus de l'étude de la tenue fonctionnelle d'une liaison boulonnée, une approche de conception de jonction boulonnée dissipative est alors développée. Une étude expérimentale est ensuite effectuée pour la valider. Lors de la compagne d‘essais, des défauts de forme ont été détectés dans la structure. L'influence de ces défauts, susceptibles d'exister dans les structures réelles, sur l'amortissement est alors décrite. L'intégration pour un grand nombre de modèles physiques, détaillés au voisinage des jonctions, dans un modèle d'ensemble est généralement une problématique. Une représentation simplifiée s'avère être alors nécessaire. Une réduction de modèle peut être alors appliquée sur la partie linéaire du système. Cependant, pour les non-linéarités localisées au niveau des jonctions, une construction de méta-modèle caractérisant les efforts transmis dans les liaisons est alors proposée. Différentes stratégies de construction de méta-modèle, reproduisant les déformations et les efforts principaux de liaisons, sont proposées et étudiées en supposant des liaisons à comportement viscoélastique. Un modèle cylindrique à dix jonctions boulonnées, plus représentatif de l'architecture réelle des structures aéronautiques est étudié pour illustrer le cas des liaisons répétées dont le chargement réel de chacune est beaucoup plus complexe que les structures simples couramment étudiées. / Dissipation in mechanical systems plays an important role in limiting vibrationlevels. The present work deals with maximizing damping induced by junctions and treatsjunctions integrated into an overall structure. After introducing the physical models used inrepresenting viscoelastic behavior, a first example introduces the concept of coupling. Coupling,estimated by preliminary calculations of elastic natural frequencies sensitivity, ensures thatjunctions sufficiently contribute to the global behavior to induce damping. To study this couplingas well as obtain accurate damping predictions by complex modes calculation, model reductionmethods, adapted to parameterized problems, are needed and different strategies are detailedand validated. A structure representing aeronautic construction is then used to illustrate theproposed damping design process. The study highlights the functional importance of thecohesive zone under the bolt and the possibility of using the residual flexibility of the joint tointroduce a viscoelastic layer enabling high damping. Experimental modal tests confirm thevalidity of the design and the predicted trends, but also show the influence of manufacturingdefects which limit the induced damping. The manuscript finally addresses the need forrepresentative models of detailed joints in overall models. Although model reduction is possibleand desirable, the construction of meta-models representing the main forces transmitted by thejoints is useful in modeling and necessary for the operation of elementary tests. Generalstrategies for defining principal deformations and loads are introduced and their validity isillustrated.

Nous avons étudié l’impact de contraintes mécaniques contrastées sur la structure des pattes de canard (Anas platyrhynchos) pour comprendre l’influence de l’environnement sur la variabilité phénotypique. Des canards ont été élevés sous quatre conditions expérimentales: 1/ marche restreinte, 2/ marche libre 3/marche augmentée 4/ marche et nage. Les vingt-huit muscles et les trois os longs de la patte de ces oiseaux ont été mesurés. Une comparaison a été faite entre les appareils locomoteurs des canards des cailles et des pies pour établir un lien entre les types de marche et la morphologie des pattes. Les résultats montrent que les muscles sont principalement affectés par une restriction de mouvement, alors que les os sont principalement touchés par une augmentation de l’exercice. Les variations de forme des os touchent principalement le genou. Cette articulation est aussi celle qui montre la plus de variabilité au cours de la locomotion des différentes espèces comparées. / We investigated the impact of contrasting mechanical constrains on duck leg structure (Anas platyrhynchos) to understand the influence of the environment on phenotypic variability. Ducks were raised under four experimental conditions: 1/ restricted walking, 2/ free walking 3/ increased walking 4/ walking and swimming. The twenty-eight muscles and three long bones of the leg of these birds were measured. A comparison was made between locomotive devices of quail, ducks and magpies to establish a link between the types of walking and the morphology of the legs. The results show that the muscles are mainly affected by a restriction of movement, while the bones are mainly affected by an increase in exercise. The variations in the shape of the bones mainly affect the knee. This joint is also the one that shows the most variability during the locomotion of the different compared species.

Le tendon transmet les forces musculaires aux os et permet le mouvement. C'est un tissucomplexe et organisé, formé de cellules et d’une matrice extracellulaire (fibres collagènes,élastiques et substance fondamentale). Les fibres lui confèrent son élasticité et résistance et lasubstance fondamentale sa viscosité.La tendinopathie est souvent lié au sport, de morbidité élevée qui affecte laperformance des sportifs. Elle associe dégénérescence, douleur, rigidité et oedème local.L’imagerie quantifie et qualifie les changements morphologiques du tendon. L’homéostasietendineuse et sa physiopathologie restent peu connues, mais un changement des liaisons desfibrilles lors de la cicatrisation diminue sa résistance.L’objectif de l’étude est: mettre en place un modèle de tendinopathie chirurgicale chezla chèvre avec suivi clinique transposable (homme et cheval); développer un dispositifd’évaluation du comportement mécanique des tendons; et valider la chèvre comme modèleanimal pour l’étude de la tendinopathie. L’étude a été faite sur 84 jours avec un suivi cliniqueet échographique suivi d’un test de traction.La chèvre est un ongulé facile à héberger et manipuler. La technique chirurgicalepermet la résection de quelques fibres causant une lésion identifiable par échographie et dessymptômes cliniques. La grande variabilité du comportement mécanique ne se corrèle pas aupoids, morphologie des animaux ou section transversale du ses tendon, ce qui complique laréduction de l’effective. Notre modèle semble pouvoir être utilisé pour évaluer des traitementsde tendinopathies destinés à l’homme et/ou au cheval. Ce que n’exclue pas sondéveloppement pour renforcer sa pertinence / Tendons transmit muscles forces to bone and allow movement. It is a complexorganized tissue, composed by few cells and an extracellular matrix (collagen fibers, elasticfibers, and a ground substance. Fibers give to tendon its elastic characteristic and resistanceand ground substance its viscosity.Tendinopathy is a medical problem associated with sport, with a high morbidity whichaffects performance. It is an association of degeneration, pain, stiffness and local edema.Imaging can be used to quantify and qualify the changes in the morphology of the tendon.The tendon homeostasis and physiopathology remain poorly understood, but a change at theconnections of the fibrils, decreasing its strength.The purpose of this study is: development of surgical model of induced localtendinopathy in goats with clinical follow up transposable for humans and horses;development of a device to evaluate the mechanical properties of tendons, and demonstratethat the goat is a good experimental animal model for the study of tendinopathy. The studyhas been performed in 84 days with a clinical follow up, US imaging and tensile test.Goat is an ungulate easy to house and handle. The modified splitting allows easy andreproducible resection of some tendon fibers with an identifiable lesion in US imaging andclinical symptoms. The variability of mechanical behavior is not correlated with"macroscopic" aspects (weight, animal morphology or cross sectional area), thus reducing theeffective is difficult. However, our model appears in the state, can be used to evaluatetreatments for human and horse’s tendinopathy. The development of our model couldstrengthen its relevance.

Au cours de ce travail, l’objectif est d’étudier les liens entre les paramètres du procédé de séchage, la microstructure et les propriétés d’usage du matériau telles que la conductivité thermique et le module d’Young. L’étude a été effectuée sur des matériaux poreux à base d’alumine, oxyde modèle, et à base de bentonite, minéral argileux. Le procédé de séchage utilisé est le procédé de coulage-congélation, qui permet d’obtenir une microstructure orientée et de fabriquer des matériaux anisotropes. L’origine de cette anisotropie provient de la microstructure des échantillons, essentiellement la forme des pores. Les résultats obtenus ont permis de souligner l’importance des paramètres de séchage sur l’anisotropie et les propriétés d’usage du matériau considéré. Par exemple, des valeurs très faibles de la conductivité thermique (0,045 W.m-1.K-1 pour 98 % de porosité) ont été obtenues pour les matériaux à base de bentonite, tout en étant manipulables. / The aim of this thesis is to correlate the shaping process parameters, the microstructure and the material properties, like thermal conductivity and Young modulus. The materials used in this study are alumina and a bentonite, a clay material. The shaping process used is the freeze-casting, which permit to obtain a textural microstructure and anisotropic materials. The origin of this anisotropy is the samples microstructure, in particularly the pores shape. The results highlight the importance of the freeze-casting parameters on the anisotropy and on materials properties. For example, very low values for the thermal conductivity (0,045 W. m-1.K-1 for a porosity of 98 %) are obtained for bentonite material, and they are handleable.

Mes travaux de thèse ont porté sur les matériaux hybrides organiques-inorganiques (MOFs) qui constituent une nouvelle classe de matériaux cristallins et nanoporeux, formés de centres métalliques interconnectés par des ligands organiques, dont les applications pour la séparation de gaz d'intérêt industriel ou la catralyse sont très prometteuses. Je me suis particulièrement intéressée aux Soft Porous Crystals, qui présentent une flexibilité structurale de grande amplitude en réponse à des stimuli externes tels que la température, la pression mécanique ou l'adsorption de molécules. Afin de mieux comprendre la très large gamme des comportements observés pour la flexibilité des MOFs, j'ai développé au cours de ma thèse une méthodologie complète de ces matériaux en combinant différentes méthodes de simulation moléculaire classique et quantique.Dans un premier temps, j'ai étudié les propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux flexibles dans le régime élastique. J'ai identifié la signature élastique des SPC et mis en évidence l'origine microscopique de la flexibilité structurale de ces matériaux hybrides. Ensuite j'ai étudié la stabilité mécanique de ces matériaux en fonction de la température, de la pression mécanique et de l'adsorption de molécules. Et notamment au phénomène d'amorphisation sous pression et au polymorphisme induit par l'intrusion de fluide de certaines MOFs. Dans un dernier temps, j'ai étudié l'influence de la géométrie, de la topologie structurale et de la fonctionnalisation des matériaux de la famille des ZIFs sur leurs propriétés d'adsorption d'eau. J'ai alors montré comment les propriétés d'hydrophobicité de ces matériaux peuvent être modulées. / The topic of this thesis is the thermodynamical, mechanical and adsorptive behavior of Soft Porous Crystals (SPCs). Porous metal-organic frameworks (MOF) are a novel class of crystalline materials with promising industrial applications such as gas adsorption and separation processes. The Soft Porous Crystals feature dynamic frameworks displaying reversible structural deformations of large amplitude in response to external physical constraints such as temperature, mechanical pressure or gas adsorption. I have developed a new methodology based on classical and quantum calculations in order to study these flexible metal-organic frameworks. I first studied the mechanical properties of different SPCs in order to link the local elastic behaviour of these materials and the structural flexibility. These results shed light onto the microscopic origin of stimuli-induced structural transitions in flexible MOFs, showing that the framework flexibility and existence of structural transition are clearly visible in their local elastic propertiesThen, I looked the mechanical stability of hybrid organic-inorganic frameworks under mechanical pressure and gas adsorption. In particular, I studied the pressure-induced amorphization of ZIF-8 and the polymorphism phenomenon induced by fluid intrusion. Finally, I was interested in the impact of geometry and functionalization on water adsorption properties of zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs). I demonstrated how topology, geometry, and linker functionalization drastically affect the water adsorption properties of these materials, tweaking the ZIF materials from hydrophobic to hydrophilic.

Dans ce travail, basé sur une approche semi empirique de conception d’alliages de titane à propriétés mécaniques contrôlées, un alliage modèle binaire Ti-12Mo (% massique) et des alliages ternaires sur la base du système Ti-Mo ont été élaborés, combinant des effets TRIP et TWIP lors de la déformation. (TRIP – Transformation Induced Plasticity : plasticité induite par transformation ; TWIP – Twinning Induced Plasticity : plasticité induite par maclage).Les résultats des essais mécaniques montrent que ces alliages présentent une haute résistance mécanique (1000-1200 MPa), une grande plasticité (entre 0,3 et 0,4) et un écrouissage amélioré grâce aux effets simultanés TRIP/TWIP. Différentes techniques de caractérisation telles que la diffraction de rayons X conventionnelle (XRD), la diffraction in-situ sur Synchrotron (SXRD), la diffraction d’électrons rétro-diffusés (EBSD), les mesures de résistivité électrique (ERM), la microscopie électronique en transmission (TEM) et les mesures et traitements automatiques des orientations cristallographiques associées (ACOM/TEM), ont été mis en œuvre pour étudier les mécanismes de déformation, les transformations de phases et l’évolution microstructurale.Différents mécanismes de déformation, tels que le maclage mécanique {332}<113> et la transformation martensitique induite sous contrainte α˝ ont été identifiés à l’issue des essais mécaniques, permettant d’expliquer l’excellente combinaison de propriétés mécaniques obtenue. L’optimisation microstructurale de ces alliages a été conduite à partir de recuits basses températures dans le domaine de précipitation de la phase ω avec pour objectif d’améliorer les propriétés mécaniques afin de contrôler la formation de la phase ω sans modifier de manière excessive la composition chimique de la matrice β, et conserver les effets combinés TRIP/TWIP. / In this work, based on combination of the ‘d-electron alloy design method’ and controlling of electron/atom ratio (e/a), a model of binary Ti-12Mo (wt. %) and ternary Ti-Mo based alloys were designed, induced combined TRIP and TWIP effects (TRIP for Transformation Induced Plasticity and TWIP for Twinning Induced Plasticity). The tensile results show that so-designed alloys exhibit true stress-strain values at uniform plastic deformation, of about 1000-1200MPa and between 0.3 and 0.4 of strain, with a large strain-hardening rate. Several characterization techniques, such as conventional X-ray diffraction (XRD), In-situ Synchrotron X-ray diffraction (SXRD), electron backscatter diffraction (EBSD), electrical resistivity measurements (ERM), transmission electron microscopy (TEM) and automatic crystal orientation measurements (ACOM) TEM, were carried out to to investigate the deformation mechanisms and microstructure evolution sequence. Various deformation mechanisms, i.e. {332}<113> mechanical twinning, deformation induced ω phase and stress-induced α’’ martensite, were identified after mechanical testing, resulting in a combination of high strength, large ductility and improved strain-hardening rate. Furthermore, low temperature aging (LTA) treatments were performed on the Ti-12Mo alloy to improve the mechanical property through controlling the ω phase transformation without excessive modification of β matrix chemical composition, keeping the possibility for combined TRIP and TWIP effects to occur. The influence of LTA treatment on the mechanical behavior and microstructural evolution of Ti-12Mo alloy was discussed in detail.

Ce travail de recherche s'inscrit dans une dynamique de valorisation des sous-produits industriels locaux dans l'industrie cimentière. Il porte essentiellement sur la possibilité d'utiliser la poudre de mâchefer de charbon produit par la SONICHAR au Niger pour élaborer des ciments composés. Après une caractérisation physico-chimique et environnementale de la poudre de mâchefer, nous avons déterminé sa réactivité pouzzolanique et son indice d'activité mécanique. Les résultats montrent que la poudre de mâchefer présente une pouzzolanicité dont la cinétique relativement lente ne démarre pas avant 14 jours. D'autre part, ce mâchefer peut être considéré comme une addition minérale du type Il selon la norme EN 206-1 avec un indice d'activité de 0,76. C'est pourquoi nous l'avons utilisé pour élaborer trois ciments composés de type CEM 11/A avec une classe de résistance de 42,5 lorsque le taux de substitution est de 10% et une classe de résistance de 32,5 lorsque Je taux de substitution est de 15% et 20%. Des mortiers normaux ont été élaborés à partir de ces ciments et caractérisés sur les plans physiques et mécaniques. La durabilité des mortiers a également été étudiée notamment du point de vue de la cinétique de carbonatation et de lixiviation en présence de nitrate d'ammonium. Il ressort en définitive que la poudre de mâchefer peut bien être incorporée comme addition dans l’élaboration de ciments composés. Les caractéristiques mécaniques à long terme (90 jours) et la durabilité des mortiers confectionnés à partir de ces ciments sont conservées lorsque le taux de substitution n'excède pas 10%. / This research is part of a process of valorization of local industrial by-products in the cement industry. lt focuses on the possibility f using coal bottom ash powder produced by SONICHAR in Niger as cement partial addition. After a physicochemical and environmental characterization of the coal bottom ash powder, we determined its pozzolanic reactivity and it mechanical activity index. The results show that the coal bottom ash powder presents a pozzolanicity whose relatively slow kinetics do ne start before 14 days. On the other hand, this coal bottom ash can be considered as a mineral addition of type 11 according to the standard EN 206-1 with an activity index of 0.76. This is why we used it to develop three CEM 11/A composite cements with a strength class of 42.5 when the substitution rate is 10% and a strength class of 32.5 when the rate of substitution is 15% and 20%. Normal mortars have been formulated with these cements and are characterized physically and mechanically. The durability of the mortars has also been studied, in particular from the point of view of the kinetics of carbonation and leaching in the presence of ammonium nitrate. Finally, it appears that the coal bottom ash powder may indeed be incorporated as an addition in the preparation of composite cements. The long-term mechanical characteristics (90 days) and the durability of the mortars made from these cements are preserved when the substitution rate does not exceed 10%.

Dans les systèmes mécaniques ou mécatroniques, les actionneurs sont les composants utilisés pour convertir l’énergie d’entrée, généralement l’énergie électrique, en tâche mécanique telles que le mouvement, la force ou une combinaison des deux. Actionneur analogique et actionneur numérique sont les deux types d’actionneurs les plus communs. Les actionneurs numériques possèdent les avantages du contrôle en boucle ouverte, faible consommation d’énergie par rapport aux actionneurs analogiques. Cependant, les actionneurs numériques présentent deux inconvénients majeurs. Les erreurs de fabrication de ces actionneurs doivent être contrôlées précisément parce que, contrairement à des actionneurs analogiques, une erreur de fabrication ne peut pas être compensée par la loi de commande. Un autre inconvénient est leur capacité à réaliser les tâches continues en raison de leur corse discrète. Un assemblage de plusieurs actionneurs numériques peut néanmoins réaliser des tâches multiples discrètes. Cette thèse porte sur la caractérisation et l’optimisation d’une conception expérimentale actionneurs tableau numériques pour l’application planaire de transport. Le premier objectif principal de la présente thèse est axé sur la caractérisation de l’ensemble des actionneurs existants et aussi une application planaire de transport sur la base du tableau des actionneurs. A cette fin, une modélisation de la matrice des actionneurs essais expérimentaux ont été effectués afin de déterminer l’influence de certains paramètres sur le comportement des actionneurs de tableau. Le deuxième objectif est de concevoir une nouvelle version du tableau actionneurs sur la base de l’expérience du premier prototype. Une optimisation de la conception a ensuite été réalisée en utilisant des techniques d’algorithmes génétiques tout en tenant compte de plusieurs critères. / In mechanical or mechatronical systems, actuators are the components used to convert input energy, generally electrical energy, into mechanical tasks such as motion, force or a combination of both. Analogical actuator and digital actuator are two common types of actuators. Digital actuators have the advantages of open-loop control, low energy consumption and etc compared to analogical actuators. However, digital actuators present two main drawbacks. The manufacturing errors of these actuators have to be precisely controlled because, unlike to analogical actuators, a manufacturing error cannot be compensated using the control law. Another drawback is their inability to realize continuous tasks because of their discrete stroke. An assembly of several digital actuators can nevertheless realize multi-discrete tasks. This thesis focuses on the experimental characterization and optimization design of a digital actuators array for planar conveyance application. The firs main objective of the present thesis is focused on the characterization of the existing actuators array and also a planar conveyance application based on the actuators array. For that purpose, a modeling of the actuators array and experimental test has been carried out in order to determine the influence of some parameters on the actuators array behavior. The second objective is to design a new version of the actuators array based on the experience of the first prototype. An optimization of the design has then been realized using genetic algorithm techniques while considering several criteria.