L'électrofilature est un procédé de fabrication utilisant l'énergie électrique pour transformer une solution à base de polymère en fibres d'un diamètre nanométrique. La variation des paramètres expérimentaux est utilisée pour optimiser le diamètre des fibres de polymère et l'ajout de précurseurs métalliques dans la solution permet d'obtenir des fibres de céramique après calcination. Durant ce projet, les montages expérimentaux pour l'électrofilature de fibres de polymère, de céramique et de céramique magnétique ont été fabriqués. Des fibres de polyoxyde d'éthylène (POE) ont été produites et leur diamètre optimisé en modifiant les paramètres expérimentaux. Des fibres d'alumine (AI₂O₃) ont été produites en calcinant des fibres de poly vinyl pyrrolidone (PVP) et d'aluminium 2,4 pentanedionate (C₁₅H₂₁AIO₆). Enfin, des fibres de ferrure de nickel (NiFe₂O₄) et de cobalt (CoFe₂O₄) démontrant des caractéristiques superparamagnétiques ont été produites avec la même méthode de calcination. Les différents échantillons ont été analysés par microscopie électronique par balayage et spectroscopic dispersive en énergie.

Des anodes de haute densité et de qualité uniforme sont d'un grand intérêt dans la production d'aluminium primaire. La variation dans les propriétés des matières premières ainsi que le grand nombre de variables est reconnue comme étant un grand défi et conduit à des anodes de qualité très variable. Dans ce projet, une d'essai de comportement au compactage de la pâte d’anode a été développée. Le comportement au compactage de la pâte d'anode a été utilisé comme indice de qualité intermédiaire pour réduire le nombre de variables. Différentes combinaisons de temps et de températures de mélange ont été utilisées pour faire de la pâte d’anode afin de comprendre les effets des variables de mélange. Les pâtes ont été compactées, cuites et caractérisés par la suite. Le mélange effectué à 178 C pendant 10 minutes a été celui permettant d’obtenir la distribution la plus homogène de coke et de brai et la densité maximale des échantillons verts et cuits. Il est admis que le comportement à la déformation de la matrice liante (particules fines de coke+brai) contribue fortement au processus de compactage. Les mélanges des matrices liantes et des pâtes d’anodes, avec différents ratios de brai et de particules de coke, ont été compactés à des taux de déformation différentes. La compaction de la matrice liante et de la pâte d'anode, avec les compositions classiques utilisées dans ce projet, n’est pas significativement dépendante de la vitesse de mise en forme. L'effet de la forme et de la densité des particules sur la densité de la pâte compactée a été étudié. La densité apparente des particules, la densité apparente (Scott) et la densité apparente vibrée du lit de particules ont été mesurées pour différentes fractions de cinq sources de coke éponge. Des pâtes d’anode ont été produites à partir des cinq cokes et ensuite compactées. Il a été suggéré que la densité apparente vibrée n'est pas un facteur suffisant pour déterminer les propriétés de compaction et la densité de la pâte compactée et aussi que les facteurs de forme et la densité des particules sont des paramètres importants qui devraient être considérés.

Le traitement thermique des aciers après chauffage par induction localisé est un procédé aujourd'hui répandu, notamment dans l'industrie automobile. Ce type de procédés a fait ses preuves dans le cadre de pièces massives, mais les distorsions générées sont encore parfois insuffisamment maîtrisées lorsqu'il s'agit de tôles minces. PSA-Peugeot-Citroën s'intéresse alors à l'étude et la compréhension des phénomènes en jeu ainsi qu'à la simulation numérique de tels procédés. C'est alors dans cette démarche et dans le cadre d'un partenariat entre le Cemef et PSA, que s'inscrit ce travail appliqué au traitement thermique d'un renfort de pied central. Un procédé aussi complexe nécessite la compréhension de la thermique, de la mécanique, de la métallurgie, de l'électromagnétisme, ainsi que de leurs interactions mutuelles au chauffage comme au refroidissement. Ce travail se trouve alors au carrefour de plusieurs disciplines comme la thermomécanique et l'électromagnétisme, ainsi que les méthodes numériques et l'étude expérimentale. Il fait suite à divers travaux réalisés au laboratoire concernant la thermique ou la mécanique, ainsi qu'une thèse précédente portant sur la modélisation numérique couplée de la trempe. Il constitue également la première approche 3D des procédés de chauffage par induction et des couplages multi physiques qui en découlent. La présentation de ce travail se décompose en 3 grandes parties. Premièrement, on décrit le contexte industriel, la problématique et l'historique de l'étude du procédé, pour en arriver aux études expérimentales réalisées dans ce travail : une porte sur le procédé industriel et l'autre sur un modèle simplifié que nous avons conçu pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui génèrent les distorsions. Ces études expérimentales, riches en résultats, soulignent la nécessité d'un outil numérique pour aller encore plus loin dans la compréhension physique du procédé. Nous poursuivons alors sur trois chapitres présentant les modèles numériques par éléments finis, développés et utilisés dans le code de calcul pour simuler les problèmes couplés : thermique / électromagnétisme, mécanique / métallurgie et l'ensemble de la structure couplée. La troisième et dernière partie du rapport traite, d'une part, de la mise en donnée d'un cas semi-industriel ainsi que de la caractérisation des paramètres, et d'autre part, des résultats numériques obtenus et de leur comparaison avec les résultats expérimentaux. Le modèle développé permet d'estimer dans une première approche les distorsions subies par une structure mince lors de son traitement thermique localisé par induction. Le code de calcul actuel forme une base solide pour de futures évolutions permettant de simuler des problèmes industriels complexes.

Les réactions gaz-solide sont à la base de nombreux procédés industriels de transformation de la matière d'importance économique majeure, dont elles conditionnent les performances. Je tente de montrer dans ce mémoire l'apport de la modélisation mathématique pour aider à comprendre les phénomènes et à optimiser les installations. Après une présentation détaillée des processus physiques mis en jeu lors d'une réaction gaz-solide à l'échelle d'une seule particule de solide et des modèles cinétiques susceptibles d'en rendre compte, une deuxième partie est consacrée à la modélisation des réacteurs multiparticulaires. Différentes démarches, notamment pour le couplage des modèles particulaires et des modèles de réacteurs, sont illustrées au travers d'une série d'exemples : pyrolyse du charbon en four tournant, production de tétrafluorure d'uranium en four à lit coulant, incinération des ordures ménagères, thermogravimétrie, fabrication du combustible nucléaire, four électrique d'aciérie.

Nous étudions dans cet ouvrage les archers dans l'armée romaine. Nous établissons leur visage de la fin de la République romaine jusqu'à Trajan à travers les sources littéraires, épigraphiques et archéologiques. Nous examinons par la suite l'efficacité de leurs armes et tentons de montrer qu'elles peuvent refléter un véritable travail technique grâce à une étude métallographique, complétée par des analyses physico-chimiques, du mobilier de pointes de flèche découvert au Puy d'Issolud (Lot), l'antique Uxellodunum: l'objectif principal étant la caractérisation, pour ces armes, des structures métallurgiques, des distributions, des morphologies et compositions des phases et des constituants présents. Il est dès lors possible d'imaginer les différents protocoles d'élaboration et les traitements thermo-mécaniques développés par les forgerons pour leur mise en forme et d'apporter de nouveaux éléments à l'histoire des techniques de la forge en relation avec l'armée romaine et plus particulièrement avec les corps et l'armement des archers.

Les propriétés mécaniques et fonctionnelles des matériaux métalliques sont conditionnées par leurs microstructures, qui sont elles-mêmes héritées des traitements thermomécaniques subis. Etre capable de prévoir et simuler la microstructure et ses hétérogénéités lors des procédés de mise en forme complexes est récemment devenu crucial dans l'industrie métallurgique. C'est également un véritable challenge d'un point de vue numérique qui met en évidence l'importance des matériaux numériques dans les nouvelles méthodes de modélisation. Dans ce travail, nous nous intéressons à un modèle en champ complet récent basé sur la méthode level set (LS) dans un cadre éléments finis (EF) pour la modélisation des mécanismes de recristallisation.Les points forts de cette approche par rapport à l'état de l'art ont motivé le développement d'un logiciel appelé DIGIMU® par la société TRANSVALOR avec le soutien de grandes entreprises industrielles. Toutefois, le principal inconvénient de cette approche, commun aux autres méthodes en champ complet utilisant des maillages EF non structurés, reste son coût numérique important.Le principal objectif de ce travail a donc été d'améliorer considérablement le coût numérique de la formulation LS utilisée dans le contexte de maillages EF non structurés. De nouveaux développements génériques ont été réalisés pour améliorer l'efficacité globale du modèle. La formulation 2D LS existante, déjà utilisée pour modéliser la croissance de grains, la recristallisation statique et l'effet d'ancrage de Smith-Zener, a été étendue et améliorée afin de modéliser ces mécanismes en 3D pour des polycristaux à grand nombre de grains en des temps de calcul raisonnables. / Mechanical and functional properties of metallic materials are strongly related to their microstructures, which are themselves inherited from thermal and mechanical processing. Being able to accurately predict and simulate the microstructure and its heterogeneities after complex forming paths recently became crucial for the metallurgy industry. This is also a real challenge from a numerical point of view which highlights the importance of digital materials in new modeling techniques. In this work, we focus on a recent front-capturing full field model based on the level set (LS) method within a finite element (FE) framework to model recrystallization mechanisms.The strengths of this approach comparatively to the state of the art have motivated the development of a software package called DIGIMU® by the company TRANSVALOR with the support of major industrial companies. However, the main drawback of this approach, common with other front-capturing full field approaches working on unstructured FE meshes, is its important computational cost, especially in 3D.Main purpose of this work was finally to drastically improve the numerical cost of the considered LS-FE formulation in context of unstructured FE meshes. New generic numerical developments have been proposed to improve the global efficiency of the model. The existing 2D LS formulation, already used to model grain growth, static recrystallization and the Smith-Zener pinning effect, has been extended and improved in order to model these mechanisms in 3D for large-scale polycrystals with reasonable computational costs.

Le sujet de thèse s’inscrit dans une problématique d’allègement de structures des moyens de transport civils et militaires. Actuellement, les pièces de structures métalliques de ces moyens sont principalement composées d’alliages d’aluminium et d’aciers. Avec une densité inférieure et des propriétés mécaniques spécifiques similaires à ces métaux, l’alliage de magnésium AZ91 représente une solution de substitution prometteuse. En dépit de son durcissement structural par précipitation, ses propriétés mécaniques relativement faibles limitent son emploi actuel comme matériau de structure. Une amélioration de ces propriétés pourrait être permise au travers d’un affinement de la microstructure et d’un renforcement par l’ajout de particules céramiques. La métallurgie des poudres, en particulier le procédé Spark Plasma Sintering (SPS), permettrait d’allier ces deux voies d’amélioration en produisant un composite à fine microstructure avec un renforcement particulaire contrôlé. Cette thèse a pour objectifs le développement par SPS d’alliages AZ91, l’optimisation de leurs propriétés mécaniques par un contrôle de leur microstructure et l’étude de leur renforcement potentiel par l’ajout de particules de SiC. Le contrôle microstructural a été réalisé par l’intermédiaire des paramètres du procédé SPS et a porté principalement sur la densification de l’alliage, sa taille de grains et sa teneur en précipités. La caractérisation mécanique des matériaux produits a été composée d’essais de dureté, d’essais de compression en conditions quasi-statiques et dynamiques, ainsi que d’essais de traction. Les essais de traction ont été réalisés à l’issue d’un changement d’échelle de production, passant de pièces cylindriques Ø30 mm à des pièces Ø80 mm. Outre la réalisation d’essais de traction, le changement d’échelle a permis d’étudier la reproductibilité des conditions de production. Alors que l’optimisation mécanique des matériaux frittés a porté sur leurs propriétés en compression, les essais de traction ont permis d’évaluer leur cohésion et leur ductilité. Afin de montrer les améliorations permises par l’affinement microstructural et le renforcement particulaire, les matériaux élaborés par SPS ont été comparés à des alliages AZ91 produits par fonderie / The present PhD thesis falls within a structure lightweighting issue in the transport field for civil and military applications. Today, the metallic structural parts in transports are mainly composed of aluminum alloys and steels. With an inferior density and a similar specific mechanical strength to these metals, the AZ91 alloy appears to be a promising alternative. Despite its precipitation strengthening, its relative low mechanical properties limit its current use as engineering material. An improvement could be reached via microstructure refinement and ceramic particle strengthening. Powder metallurgy, involving Spark Plasma Sintering (SPS), will be used as an effective way to improve the AZ91 properties using these two approaches. AZ91 alloys were produced by SPS and reinforced by SiC particles. Their mechanical properties were optimized by microstructure control. This control was carried out by adjusting the SPS processing parameters to optimize the alloy densification, its grain size and its precipitate content. The mechanical properties of the materials were evaluated via hardness testing, compression tests in quasi-static and dynamic conditions as well as quasi-static tensile tests. The tensile tests were carried out after an up-scaling of the production process from Ø30 mm cylindrical pieces to Ø80 mm pieces. In addition to the tensile tests, the up-scaling step allowed to study the repeatability of the process conditions. While the mechanical optimization of the SPS processed materials was paid on their compressive properties, their tensile properties gave information on their cohesion and ductility. In order to highlight the mechanical improvement got by microstructure refinement and particle strengthening, the SPS processed materials were compared with cast AZ91 alloys

Les cermets, nommés M(p)-CMC(s), « Ceramic Matrix Composite dispersed with Metallic Particles », sont prometteurs dans les applications à haute température. Un cermet modèle (304L-YSZ) constitué de 40 % vol. de particules d'acier inoxydable 304L dispersées dans une matrice de zircone partiellement stabilisée à l’yttrium a été préparé par métallurgie des poudres. Les cermets sont homogènes et possèdent une densité voisine de 97 % par rapport à la densité théorique. Une étude cinétique basée sur l’hypothèse de l’étape limitante, a été réalisée afin de proposer un mécanisme et un modèle d’oxydation du cermet. Dans un premier temps, l’oxydation de la poudre d’acier inoxydable a été étudiée sous oxygène à 800 °C. Les expériences d'oxydation sous He (80 %)-O2 (20 %) ont été conduites par thermogravimétrie. Conformément à la littérature, la cinétique d’oxydation de la poudre suit un régime de diffusion. Une couche d’oxyde à base de chrome à croissance externe est observée.En revanche, la cinétique d’oxydation du cermet modèle est différente de celle de la poudre de 304L. Un fort gain de masse est observé dès l’introduction de l’oxygène au début du palier isotherme. Pendant le palier isobare, la prise de masse est lente et n’est pas régie par la diffusion. La caractérisation des cermets oxydés montre que des nodules riches en chrome apparaissent tout d’abord à l’intérieur du métal. Puis une couche d’oxyde à base de chrome et de fer se forme par croissance externe. La matrice de zircone ne limite pas la diffusion de l’oxygène vers le métal. Elle se fissure sous l’action des contraintes mécaniques induites par le changement de volume des particules de 304L pendant l’oxydation. / Ceramic matrix composite dispersed with metallic particles, called M(p)-CMC(s), are being developed for optimizing several functions of industrial components in severe atmospheres at high temperature.The corrosion of a model M(p)-CMC(s), based on 304L stainless steel and yttrium doped zirconia (304L(p)-ZrO2(s); 40%/60% in volume) is studied and compared with the oxidation behaviour of the stainless steel powders. The oxidation behaviour of the model 304L(p)-ZrO2(s) composite produced by powder metallurgy, studied by means of the thermogravimetry under 20 % O2 in helium at 800 °C, is presented. Oxidation curves show a fast increase in mass gain followed by slow one for the composite material. SEM observations and Auger spectroscopy measurements of the oxidized composite indicate an outward complex Cr and Fe rich oxide layer whereas Cr2O3 nodules are observed to nucleate and develop inward. For 304L stainless steel powder, the shape of the mass gain curve is parabolic, in agreement with a diffusion controlled oxidation. SEM observations of oxidised powder and in situ XRD measurements at 800 °C under oxygen show an external growth of Cr2O3 oxide layer.The low resistance to oxidation of the composite (compared to the powder) in the initial period seems to be due to the properties of the zirconia/metallic particles interface obtained after the sintering process. Under reducing conditions, the initial Cr2O3 layer reacts with zirconia matrix. TEM observation of the “as sintered” interface between the metallic particles and the ceramic shows no chromia layer. Sudden changes in oxygen partial pressure during experiments reveal an accelerating effect of the oxygen pressure.

L’allègement des structures des véhicules est l’une des problématiques actuelles majeures car il permet d’atteindre de meilleures performances, une autonomie plus importante et une consommation plus faible. Ceci est d’autant plus vrai dans le domaine de la défense où la nécessité de se protéger face aux menaces balistiques implique un ajout de masse conséquent. Les alliages d’aluminium sont pour l’instant l’un des meilleurs compromis, mais augmenter leurs performances permettrait un nouveau gain de masse. Dans ce contexte, la métallurgie des poudres (MdP) se présente comme une alternative de choix aux procédés de mise en forme traditionnels car elle permet de combiner différents modes de renforcement des propriétés mécaniques, à savoir la nanostructuration, l’écrouissage, les solutions solides et les renforts particulaires. Dans un premier temps, l’étude s’est focalisée sur la possibilité de combiner haute densité et durcissement structural d’un alliage Al-Zn-Mg. La précipitation confère au matériau brut fritté des propriétés mécaniques un peu plus faibles que celles d’un alliage AA7020 de coulée traité à l’état T651. L’approche a ensuite été appliquée à la poudre broyée, le but étant alors d’associer densité et précipitation tout en préservant les grains ultrafins obtenus par broyage. Enfin, la problématique de la consolidation de composites à matrice métallique à grains ultrafins et à renforts B4C a été abordée / Lightweight materials are very attractive in the global industry, and more specifically in the field of automotive and aeronautics fields. For army vehicles the reduction of the weight has increased the need for lightweight metal and ceramic armor systems ; the combination of these materials being a key element in modern packages. Nowadays, aluminum alloys are widely introduced in such systems. Increasing the mechanical properties of these alloys will automatically imply a decrease of the mass of ballistic protections. In this context, the powder metallurgy route appears promising as it allows simultaneously to nanostructure the matrix by strain hardening and to scatter properly particles reinforcements. First, the choice has been made to focus on the combination of high density and hardening precipitation of an Al-Zn-Mg alloy. Strengthening precipitates give the consolidated raw powder mechanical properties close to the ones of a commercial wrought aluminum alloy AA7020 in a T651 temper. Then the same process was optimized on a milled powder in order to preserve the fine grains obtained by high energy ball milling. Finally, B4C particles were introduced as reinforcements in the aluminum matrix to develop an ultrafine-grained metal matrix composite

Cette thèse de doctorat en archéologie propose un panorama sur la métallurgie du fer en France méditerranéenne de l'Antiquité au début du Moyen Âge. Pour se faire, elle se fonde sur une démarche archéologique dans laquelle est assimilée une approche archéométrique spécialement adaptée à l'analyse de la sidérurgie ancienne : la métallographie et la pétrographie.<br />Des inventaires bibliographiques précis sont dressés pour envisager le problème dans son ensemble et faire état des connaissances acquises par le passé, mais cette thèse s'ancre principalement sur les études inédites et détaillées de douze contextes métallurgiques dits témoins et significatifs de problématiques propres. Ces derniers sont documentés par l'ensemble des données archéologiques et, spécialement, sur la base d'une description rigoureuse des aménagements, du tri de près de vingt-huit mille pièces métallurgiques – objets et scories – et de l'analyse archéométrique de cent soixante-neuf d'entre elles.<br />Cette thèse est structurée autour des trois grandes activités qui se dégagent de la chaîne opératoire de la métallurgie du fer directe : la production du matériau fer – la réduction directe du minerai –, la fabrication des objets – leur forgeage – et le commerce du matériau fer sous une forme semi-finie – la circulation des demi-produits. Ainsi, à travers l'évolution de ces trois types d'activités économiques, il est possible de mettre en évidence les choix et les comportements qui ont été adoptés pour un même exercice des cadres antiques à l'orée de la réforme carolingienne pour, au final, contribuer à une meilleure connaissance de la société de l'époque romaine au début du Moyen Âge en Gaule du Sud.