Il a été observé expérimentalement, dans la littérature, que la résistance du béton léger de polystyrène, à densité égale, diminue sensiblement lorsqu'on augmente la taille Ø des inclusions légères. L'objectif de cette thèse est l'identification de l'origine physique ainsi que la modélisation de cet effet de taille. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les mécanismes de rupture et l'effet de taille dans un béton léger modèle 2D où les billes de polystyrène sont remplacées par des trous de même taille distribués dans une matrice cimentaire homogène. Dans la deuxième partie de ce travail, une étude expérimentale a été conduite sur trois types de béton de polystyrène renfermant trois tailles différentes de billes et présentant des densités allant de 1200kg/m3 à 2000kg/m3. En outre, pour s'assurer que la taille du Volume Elémentaire Représentatif (VER) pour la résistance en compression du béton de polystyrène est atteinte, des éprouvettes homothétiques ont été testées. L'effet de la taille des hétérogénéités de la matrice (grains du sable) a été aussi étudié en testant trois types de matrice cimentaire. Les résultats de cette étude ont confirmé la présence d'un effet de taille, mais aussi une interaction antagoniste avec l'effet de la taille maximale lm des hétérogénéités de la matrice. Une démarche phénoménologique, basée sur l'analyse des mécanismes de ruine observés expérimentalement dans le béton de polystyrène a été suivie pour expliquer l'effet de taille et identifier la loi le régissant. Enfin, une étude numérique 2D de cet effet de taille a été conduite sur un réseau de barres, en se basant sur la théorie des équivalences.

Les composites tissés 3D, à l'aide de leurs grandes libertés de conception, peuvent fournir des propriétés mécaniques adaptées aux besoins spécifiques d'une structure. La complexité architecturale de ces matériaux induit néanmoins des propriétés, des comportements ainsi que des endommagements très difficiles à prédire. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent directement dans cette problématique et cherchent à développer des outils permettant, par simulation numérique, de prévoir les caractéristiques mécaniques de ce type de matériaux. Afin de répondre à cet objectif, une approche multiéchelle, alliant essais expérimentaux et simulations numériques, a été adoptée. Cette démarche permet, en appliquant des sollicitations réelles, de considérer la géométrie des renforts et les hétérogénéités du matériau, observables à l'échelle mésoscopique, qui sont responsables du comportement macroscopique du composite tissé. Le travail d'investigation expérimentale s'est attaché à caractériser le comportement d'un composite interlock 2,5D et des ses constituants ainsi que les mécanismes et cinétiques de rupture, pour des sollicitations de traction/flexion, grâce à des observations tomographiques aux rayons X et au concept d'interzone. En ce qui concerne la modélisation numérique, un critère de rupture permettant de simuler la dégradation ultime du composite, en coupant les fils de renforts, a été présenté et testé sur une cellule représentative du composite expérimentale. Les résultats en termes de localisations, d'orientations et de cinétiques de l'endommagement sont en accord avec les observations expérimentales. Ensuite, après avoir estimé l'influence des différents paramètres architecturaux sur le critère de rupture avec une campagne de calcul éléments finis, des architectures optimisées, pour les sollicitations considérées, ont pu être proposées et comparées à l'interlock 2,5D. Toujours dans l'optique d'une meilleure prédiction du comportement des composites tissés, les travaux se sont également intéressés à une modélisation plus fine des mécanismes d'endommagement. Une approche fiabiliste a donc été introduite sur le critère de rupture à l'aide d'une distribution statistique de Weibull. De plus, un autre mécanisme d'endommagement a aussi pu être pris en compte dans la modélisation en simulant, avec le modèle GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman), la cavitation de la matrice. Enfin, des techniques de réduction de modèle ont été employées pour diminuer le coût calcul de la modélisation multiéchelle afin d'identifier, par exemple, des propriétés matériaux par méthode inverse ou de simuler des essais de fatigue. / With their large flexibility of design , 3D woven composites can provide mechanical properties tailored specificially to structural needs. However, the architectural complexity of woven reinforcements presents serious challenges when predicting properties, behaviours and damage processes. The present work deals with these challenges and seeks to develop numerical tools which are able to foresee the mechanical characteristics of this kind of materials. For this purpose, a multiscale approach, which combines experimental tests and numerical simulations, has been adopted. This approach allows, simultaneously, to take into account the loads and composite behavior, at the macroscopic scale, also the reinforcement geometry and the material heterogeneities which are only visible at the mesoscopic scale. The experimental investigation has been carried out to characterize the behaviour of an 2.5D interlock composite and its constituents. Examinations of the damage mechanisms have also been performed, using tomography and the interzone concept, for this woven composite under loadings in tension and combined tension and bending. With regards to the numerical modeling part, the ultimate degradation of the composite was simulated by cutting the reinforcement yarns with a failure criterion, previously reported, on a 3D representative cell of the experimental composite. For the two kinds of macroscopic loadings, the locations, orientations and kinetics of the damage were found to be fully in agreement with the experimental results. The influence of the architectural parameters on the failure criterion was then evaluated by finite element calculation. Consequently, it has been possible to proposed optimized architectures and make a camparison, for the two macroscopic loadings, with the 2.5D interlock woven composite. Still motivated to improve the prediction of the behaviour of woven composites, this work has also been on developing a finer modeling approach to the understanding of damage mechanisms. A stochastic approach was therefore introduced to the failure criterion using a Weibull statistical distribution. In addition, matrix cavitation has also been taken into account in the modelling. This damage mechanism was simulated using the GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman) model. Finally, model reduction techniques have been applied to lower the cost of computing multiscale modeling in order to identify, for example, material properties by an inverse method or to simulate fatigue tests.

Actuellement, la majorité des composants à semi-conducteur pour l'électronique de puissance est réalisée à partir de silicium. Afin de répondre aux nouvelles contraintes électriques et thermiques imposées par la montée en tension et en densité de puissance des convertisseurs d'énergie électrique, une solution repose sur l'emploi d'un semi-conducteur à large bande interdite tel que le carbure de silicium (SiC), du fait de son champ électrique critique (EC) environ dix fois plus élevé que celui du silicium et de sa capacité à fonctionner à des températures supérieures à 200 °C. Une revue des nombreuses publications concernant des diodes en SiC de tenue en tension élevée, voire leur disponibilité commerciale (jusqu'à 10 kV), est présentée, qui montre les progrès réalisés grâce aux efforts portés sur l'amélioration du matériau et l'optimisation de la protection périphérique des composants. L'étape de passivation primaire reste une étape critique très souvent mentionnée. Beaucoup moins de travaux prennent en considération l'impact des matériaux de passivation secondaire et d'encapsulation. L'objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure connaissance des paramètres et des mécanismes de rupture impactant la tenue en tension à l'état bloqué de l'ensemble que forment la puce et son l'environnement isolant électrique. Ainsi, une étude expérimentale de l'influence de différents paramètres liés au semi-conducteur ainsi qu'aux matériaux de passivation et d'encapsulation présents en surface de la puce a été menée, à l'aide de diodes en SiC-4H avec protection périphérique par poche implantée, réalisées par la société IBS, dans le cadre du projet de recherche 'FilSiC'. Dans un premier temps, une étude par simulation numérique de l'ensemble de la structure (SiC, électrodes métalliques, isolants) a été effectuée à l'aide du logiciel Sentaurus Device (Synopsys). Elle a permis de quantifier les contraintes en champ électrique dans toute la structure pour une tension appliquée donnée, et leur sensibilité aux caractéristiques des matériaux isolants prises en compte. Cette étude a également servi au choix des paramètres liés au substrat épitaxié et à la géométrie latérale et en surface des diodes (les paramètres technologiques étant fixés par ailleurs), pertinents pour l'étude expérimentale de leur tension de rupture, dans une gamme de 1 kV à 6 kV. En parallèle, la caractérisation électrique, au sein de structures Métal-Isolant-Semi-conducteur, du matériau de passivation primaire utilisé (dépôt épais de dioxyde de silicium), dans une gamme de température jusqu'à 300 °C, a permis de déterminer ses propriétés électriques, dont la rigidité diélectrique. Le travail a ensuite porté sur la caractérisation à température ambiante de la tension de rupture de la structure complète des différentes diodes fabriquées, effectuée sous vide et sous azote à la pression atmosphérique. Les comportements expérimentaux visualisés sous vide au moment du claquage, et couplés aux informations issues des simulations, ont notamment permis d'estimer les valeurs des champs maximaux induits dans les différents matériaux isolants, et de corréler leur impact avec les valeurs de rigidité diélectrique connues pour ces isolants. Les résultats complémentaires sous azote ont permis de confirmer certains paramètres technologiques et mécanismes mis en jeu lors du claquage des diodes d'autre part. Plusieurs conclusions utiles pour l'optimisation des paramètres technologiques (épitaxie et poche) et des couches isolantes de passivation et d'encapsulation (épaisseur, permittivité) de la diode 'haute tension' en SiC ont pu être dégagées de ces travaux. / Nowadays, most of the semiconductor devices used in power electronics are silicon (Si) based devices. In order to meet the new electrical and thermal constraints induced by the demand in rising both the operating voltage and the power density of the electrical energy converters, the use of wide band gap semiconductors such as silicon carbide (SiC) may represent an adequate solution, thanks to their critical electric field (EC) which is about ten times higher than that of Si and to their ability of operating at temperatures beyond 200 °C. A state-of-the-art on the readily (commercially) available high voltage SiC diodes (10kV or higher) is presented, highlighting the progress made in improving the materials themselves as well as their peripheral protection. However, regarding the die insulating materials, the studies mainly focus on the primary passivation step, which was often mentioned as the most critical one. Obviously much less work is carried out on the impact of the secondary passivation and encapsulation materials. The goal of this study is to contribute to a better knowledge of the mechanisms involved in the SiC chips and electrically insulating environment breakdown while in a blocking state, as well as to the identification of the most relevant parameters acting on these phenomena. Thus, a study of the correlated properties of the semiconductor and the passivation and encapsulation materials present on the surface of the chip was carried out on SiC-4H bipolar diodes protected by junction termination extension (JTE), supplied by IBS society, within the framework of the 'FilSiC' research project. First, a numerical simulation study of the entire structure (SiC and insulating materials) was carried out using the Sentaurus Device software (Synopsys). This allowed for quantifying the electric field stresses throughout the structure for a given applied voltage as well as their dependence on the properties of the considered insulating materials. This study was equally used for choosing the appropriate parameters of the epitaxial substrate and for designing the lateral and the surface geometry of the diodes (the technological parameters being fixed elsewhere), in view of the subsequent experimental study of their breakdown voltage in the 1kV-6kV range. Concurrently, the electrical characterization of the primary passivation material used (thick silicon dioxide layer) was performed by using MIS (metal-insulator-semiconductor) type structures, in a temperature range of up to 300 °C. This allowed to determine its main electrical properties, particularly the dielectric breakdown voltage. The work then focused on the room-temperature characterization of the breakdown voltage of the full structures built around the different manufactured diodes. The tests were carried out both under high vacuum conditions and under nitrogen at atmospheric pressure. The behavior of the different study cases observed under vacuum conditions during the breakdown, coupled with the simulation results, allowed to determine the values of the maximum electric fields induced in the different insulating materials and to correlate them to their known dielectric breakdown values. On the other hand, additional results obtained under nitrogen atmosphere confirmed some technological parameters and mechanisms at play during the breakdown of the diodes. Several guidelines for the optimization of these technological parameters (epitaxy and JTE) and of the insulating passivation and encapsulation layers (thickness, permittivity) of the "high voltage" SiC diode were derived from this study.

L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension de l'influence de la microstructure sur l'anisotropie plastique et la ténacité de deux nuances d'alliage Al-Cu-Li 2198 sous forme de tôle. L'épaisseur de tôles est 2 mm et 6 mm. Deux traitements thermiques (T351 et T851) ont été étudiés pour chaque nuance. Différentes techniques de caractérisation multi-échelles telles que la microscopie optique, la microscopie électronique en transmission ou encore la tomographie à rayons X ont été utilisées pour identifier les microstructures des matériaux et les micro-mécanismes d'endommagement. L'anisotropie plastique et l'effet d'épaisseur sur la plasticité ont été étudiés via des essais de traction sur les éprouvettes lisses et entaillées selon différentes directions. Les résultats montrent que le comportement plastique est anisotrope dans le plan de tôle. Le comportement en déchirure ductile a été examiné en utilisant des éprouvettes de petite taille de type Kahn ainsi que des plaques larges de type M(T). L'anisotropie de ténacité a été étudiée sur les éprouvettes chargées selon différentes configurations. La fractographie par microscope électronique à balayage (MEB) et la tomographie synchrotron aux rayons X ont clarifié le rôle des structures granulaires et des traitements thermiques sur les mécanismes de la rupture inter-granulaire et trans-granulaire. La croissance de cavités reste limitée dans la zone de propagation de fissure. En fin, la simulation de la déchirure ductile par élément finis est basée sur l'approche locale de la rupture en utilisant un modèle de zone cohésive (CZM). Les paramètres cohésifs ont été ajustés sur les éprouvettes Kahn. Les paramètres identifiés ont été employés pour prédire la déchirure ductile des essais M(T). Les résultats montrent que la simulation des essais M(T) est plus sensible aux valeurs des paramètres ajustés que la simulation des essais Kahn. L'effet d'épaisseur a été évalué à l'aide de la technique de relâchement des nœuds en analysant la variation de la contrainte et de la déformation dans la direction de l'épaisseur.

L'objectif de ce travail est la simulation par éléments finis de la déchirure ductile des tôles minces en alliage d'aluminium 2024. La méthode est basée sur l'approche locale de la rupture. Les observations métallographiques indiquent deux mécanismes de rupture. Si la pression hydrostatique est élevée, la rupture intervient par striction interne. Dans le cas contraire, la rupture intervient par localisation de la déformation en bande à 45 degrés. Dans les éprouvettes de fissuration Kahn et M(T), les mécanismes de rupture sont identiques. Les simulations sont basées sur une extension du modèle de Rousselier incluant une représentation de l'anisotropie plastique et de la germination de porosités.<br />Un nouveau critère de plasticité anisotrope est spécifiquement développé. Il s'agit d'une extension du critère de Karafillis et Boyce (1993). Le modèle est appliqué à deux nuances dont la teneur en particules intermétalliques est différente. Les paramètres sont ajustés sur de petites éprouvettes pour le matériau à haute pureté. La transférabilité est vérifiée sur les grands panneaux M(T). Le transfert vers le matériau ayant la plus forte teneur en particules intermétalliques est fait en modifiant la taille de maille dans le même rapport que l'espacement inter-particules. Le modèle est utilisé comme un outil numérique afin d'étudier les effets de la loi d'écrouissage, d'une pré-traction ou de l'anisotropie plastique sur la résistance à la propagation de fissure. Il est alors possible de proposer des voies d'amélioration du matériau.

L'industrie automobile emploie massivement les Aciers à Haute Performance (AHP) pour la fabrication des caisses en blanc, en raison de leur rapport résistance/masse élevé. Ils sont utilisés afin d'augmenter la sécurité des occupants en cas de crash, ou de réduire la masse du véhicule grâce à une diminution des sections utiles. En parallèle, le prototypage virtuel est omniprésent dans le processus de conception des nouveaux véhicules. En prenant l'exemple d'une caisse en blanc automobile, la conception de la structure globale et des procédés de mise en forme de ses composants nécessite des modèles prédictifs et fiables décrivant le comportement et la rupture des matériaux utilisés. Des efforts soutenus ont été entrepris ces cinq dernières années pour développer des modèles prédisant la rupture des AHP sous chargement statique. Pourtant les taux de déformations rencontrés lors d'opération de mise en forme sont de l'ordre de 10 s-1, et peuvent atteindre 103 s-1 lors de crashs. Le but de cette thèse est de développer une méthode fiable permettant d'évaluer l'influence du taux de déformation et de l'état de contrainte sur la rupture ductile d'AHP initialement non-fissurés. Une procédure expérimentale est conçue pour caractériser le comportement et l'initiation de la rupture dans des tôles chargées en traction à grande vitesse de déformation. La précision du dispositif est évaluée grâce à des validations numériques et expérimentales. Par la suite, une série d'expériences est réalisée à petite, moyenne et grande vitesse de déformation sur différents types d'éprouvettes de traction, afin de couvrir un spectre étendu d'états de contraintes. Une analyse détaillée de chaque expérience par la méthode des Éléments Finis permet de déterminer le trajet de chargement et l'état de déformation et de contrainte à la rupture dans chaque éprouvette, tout en prenant en compte les phénomènes de striction. La déformation à la rupture est significativement plus élevée à grande vitesse de déformation qu'à basse vitesse. De plus, les résultats montrent que l'influence du taux de déformation sur la ductilité ne peut pas être découplée de l'état de contrainte. Le modèle de comportement constitue un élément essentiel de cette approche hybride expérimentale-numérique. Un modèle de plasticité dépendant du taux de déformation est proposé pour prédire la réponse mécanique des AHP sur toute la plage de déformation, taux de déformation et état de contrainte couverte par le programme expérimental. La précision du modèle est validée par comparaison de mesures expérimentales globales et locales aux prédictions numériques correspondantes. De plus, l'influence de la discrétisation spatiale utilisée dans les simulations par Eléments Finis sur la précision de l'approche hybride expérimentale-numérique est quantifiée. Il est montré qu'un maillage fin d'éléments hexaédriques est nécessaire pour obtenir des prédictions précises jusqu'à la rupture. Ce type de maillage n'est pas compatible avec des applications industrielles à grande échelle pour des raisons évidentes d'efficacité numérique. C'est pourquoi une méthode de remaillage dynamique d'éléments coque vers des éléments solides est présentée et évaluée. Cette méthode permet d'obtenir des prédictions fiables de l'initiation de la rupture dans des tôles sans compromettre dramatiquement l'efficacité numérique obtenue grâce aux éléments coque. La seconde partie de ce travail s'intéresse aux micro-mécanismes responsables de la rupture ductile du matériau étudié. Une analyse micrographique du matériau soumis à différents niveaux de déformation permet d'identifier l'enchainement des mécanismes d'endommagement. Ces observations suggèrent que le mécanisme critique conduisant à la rupture est la localisation de la déformation plastique dans une bande de cisaillement à l'échelle du grain. Un model numérique reposant sur la déformation d'une cellule élémentaire 3D contenant une cavité est développé pour modéliser ce phénomène. Il est montré que le mécanisme de localisation à l'échelle micro de l'écoulement plastique dans une bande de cisaillement permet d'expliquer la dépendance de la ductilité à l'état de contrainte et au taux de déformation observée à l'échelle macro.

De nos jours, la durée de vie des modules d’électronique de puissance est désormais limitée par les technologies standards de conditionnement, telles que le câblage par fils et le brasage. Ainsi une optimisation des technologies actuellement employées n’est pas suffisante pour satisfaire les futures exigences de fiabilité. Pour dépasser ces limites, un nouveau module de puissance remplaçant les fils de connexion par des clips en cuivre a été développé. Ce design innovant vise à améliorer la fiabilité du module puisqu’il empêche la dégradation des fils de connexion, constituant bien souvent la principale source de défaillance. La contrepartie de ce gain de fiabilité réside dans la complexification de la structure interne du module. En effet, l’emploi d’un clip en cuivre nécessite une brasure supplémentaire fixant le clip à la puce. Ainsi, le comportement thermomécanique et les différents modes de rupture auxquels le composant est soumis lors de son utilisation doivent être caractérisés. Cette étude utilise la simulation numérique pour analyser avec précision le comportement de chaque couche de matériaux lors des cycles actifs de puissance. De plus, une étude de sensibilité à la fois expérimentale et numérique concernant les paramètres de tests est réalisée. Les zones critiques du module ainsi que les combinaisons critiques des paramètres de tests pour les différents modes de rupture sont mis en évidence. Par ailleurs, une analyse en mécanique de la rupture est conduite et la propagation des fissures à différentes zones clés est analysée en fonction des différents paramètres de tests. Les résultats obtenus permettent la définition de modèles de prédiction de durée de vie. / Today a point has been reached where safe operation areas and lifetimes of power modules are limited by the standard packaging technologies, such as wire bonding and soft soldering. As a result, further optimization of used technologies will no longer be sufficient to meet future reliability requirements. To surpass these limits, a new power module was designed using Cu clips as interconnects instead of Al wire bonds. This new design should improve the reliability of the module as it avoids wire bond fatigue failures, often the root cause of device failures. The counterpart for an improved reliability is a quite complicated internal structure. Indeed, the use of a Cu clip implies an additional solder layer in order to fix the clip to the die. The thermo-mechanical behavior and failure mechanisms of such a package under application have to be characterized. The present study takes advantage of numerical simulations to precisely analyze the behavior of each material layer under power cycling. Furthermore an experimental and numerical sensitivity study on tests parameters is conducted. Critical regions of the module are pointed out and critical combinations of tests parameters for different failure mechanisms are highlighted. Then a fracture mechanics analysis is performed and the crack growth at different locations is analyzed in function of different tests parameters. Results obtained enable the definition of lifetime prediction models.