Le principal objectif de ce travail est l’investigation et la quantification de l’influence des interactions parent-macle et macle-macle sur la réponse mécanique des métaux hexagonaux, et en particulier sur celle du Mg et du Zr. Une nouvelle approche à champs moyens est tout d’abord proposée pour étudier l’interaction parent-macle. Cette dernière est déclinée en deux modèles micromécaniques à double-inclusion : un premier modèle généralisant le résultat de Tanaka-Mori aux milieux élastiques hétérogènes avec déformations libres de maclage appliqué au Mg pour du maclage primaire et secondaire, et un second modèle consistant en une extension du premier modèle à un milieu élasto-plastique appliqué à des polycristaux d’alliage de Mg subissant un maclage primaire important. Leurs résultats mettent notamment en valeur l’influence des interactions de type parent-macle sur l’évolution des contraintes internes ainsi que sur l’activation des modes de glissement et de maclage. L’influence des interactions macle-macle sur les phénomènes de nucléation et de croissance de macles est ensuite étudiée de façon statistique à partir de données EBSD extraites à partir d’un logiciel, basé sur la théorie des graphes et développé lors de la thèse. La première étude réalisée sur le Zr montre que les interactions macle-macle sont défavorables à la nucléation de nouvelles macles et que les mécanismes de croissance peuvent différer de façon conséquente d’un mode de maclage à l’autre. Une seconde étude, effectuée à partir d’échantillons d’alliage AZ31 Mg, discute des macles d’extension primaires {10-12} à faible facteur de Schmid et des double-macles {10-12}-{10-12} / The objective of this thesis is to investigate and quantify the influence of parent-twin and twin-twin interactions on the mechanical response of h.c.p. metals. To study parent-twin interactions, a mean-field continuum mechanics approach has been developed based on a double inclusion topology. A first model generalizing the Tanaka-Mori scheme to heterogeneous elastic media is applied to first and second generation twinning in Mg. The model is capable of reproducing the trends in the development of backstresses within the primary twin and enables the identification of the most likely second-generation twin variants to grow in a primary twin domain. A second self-consistent model, consisting of an extension of the first one to the case of elasto-plasticity, is applied to AZ31 Mg polycrystals. The results show that deformation system activities and plastic strain distributions within twins drastically depend on the interaction with parent domains. The influence of twin-twin interactions on nucleation and growth of twins is being statistically studied from Zr and Mg electron back-scattered diffraction (EBSD) scans. A twin recognition software relying on graph theory analysis has been developed for data extraction. The results obtained from Zr EBSD maps reveal that twin-twin interactions hinder subsequent twin nucleation and that mechanisms involved in twin growth may differ for each twinning mode. A second study performed on AZ31 Mg presents statistics about low Schmid factor {10-12} tensile twins and about {10-12}-{10-12} double twins coupled with a simplified version of the Tanaka-Mori scheme generalized to heterogeneous elasticity with plastic incompatibilities.

La phytoremédiation est présentée comme une option pour gérer des sols dégradés. Les potentialités de Miscanthus × giganteus ont été évaluées, dans des conditions ex situ et in situ, avec pour objectif de produire une biomasse sur des sols agricoles fortement contaminés par Cd, Pb et Zn. Il a été dressé un bilan sur le comportement de la plante face à un gradient de contamination des sols, en intégrant les variations saisonnières et différentes pratiques agronomiques (choix du cultivar, densité de plantation, amendement biologique, fertilisation azotée). Il a aussi été étudié l’influence du miscanthus sur la mobilité des métaux dans les sols. Les résultats ont montré que la contamination des sols ne perturbe pas la croissance de M. × giganteus et le rendement de la biomasse récoltée. Le cadmium, Pb et Zn sont principalement accumulés dans les racines et d’une façon générale, M. × giganteus réduit leur transfert vers les organes aériens. Cette plante présente un bon potentiel pour la phytostabilisation des métaux et d’une façon plus globale, pour le phytomanagement. Prises individuellement, les pratiques agronomiques n’ont pas d’effet sur le comportement de la plante. En revanche, la fertilisation azotée d’une part, et l’interaction entre le cultivar et l’ajout de l’inoculum endomycorhizien d’autre part, favorise légèrement l’accumulation de Cd et Zn dans les organes aériens des cultivars étudiés. Compte tenu du caractère pérenne de la plante, il conviendrait de valider ces résultats sur le long terme, d’étudier les effets du stress métallique sur la santé de la plante et d’évaluer le devenir des polluants en lien avec l’accumulation des matières organiques dans le sol. / Phytoremediation is considered as an option for management of degraded soils. The potential of Miscanthus × giganteus were assessed in ex situ and in situ conditions, with the aim of producing biomass on agricultural soils heavily contaminated by Cd, Pb and Zn. The study mainly focused on the behavior of M. × giganteus growing on soils presenting a contamination gradient, and included seasonal variations and different agronomic practices, i.e., choice of the cultivar, planting density, biological soil amendment and nitrogen fertilization. The influence of the plant on metal mobility in soils was also assessed. The results show that soil contamination does not affect M. × giganteus growth and shoot yields. Cadmium, Pb and Zn are mainly accumulated in roots and in general M. × giganteus reduces their transfer to the aboveground organs. This plant presents therefore a great potential for metal phytostabilisation, and in a more comprehensive way, for phytomanagement. Taken individually, agronomic practices did not affect the plant behavior. However, nitrogen fertilization on one hand, and the interaction between the cultivar ad the endomycorrhizal inoculum on the other hand, increase the Cd and Zn accumulation in miscanthus organs. Given the perennial nature of the plant, long-term studies are needed to validate the present results, to assess the effects of metal-induced stress on the plant health as well as the fate of contaminants in relation to the accumulation of soil organic matter in miscanthus plantations.

Dans cette thèse, nous avons caractérisé chimiquement (métaux, EC, OC) les particules atmosphériques (PM10, PM2,5, PM1), étudié leurs sources et leur devenir puis modélisé leur comportement dynamique dans l’air intérieur de classes d’écoles du Nord Pas de Calais. Les teneurs en PM10 dépassent largement et presque systématiquement (moyenne de huit écoles : 97±28µg/m3) la valeur de gestion journalière (50µg/m3) pour l’air intérieur (recommandations OMS et ANSES). Les seuls éléments métalliques (Al, Ba, Ca, Fe) nettement associés à une source intérieure sont liés à l’utilisation de craie. Bien que l’on retrouve une quantité importante de particules d’origine extérieure dans les classes (trafic automobile, sources industrielles ou naturelles, …), les activités physiques des élèves sont à l’origine de la majeure partie des teneurs en PM10 en suspension dans l’air intérieur. Ce phénomène de remise en suspension n’influence pas significativement la répartition des métaux, majeurs et traces dans les PM10. La modélisation de l’évolution des teneurs en PM10 intérieures est clairement influencée par la présence d’activité dans les classes, nécessitant de prendre en compte les phénomènes de remises en suspension. De même, le comportement des particules est lié à la distribution granulométrique ainsi qu’aux caractéristiques intrinsèques du bâtiment qui contrôlent les échanges d’air avec l’extérieur. Le modèle déterministe développé dans ce travail permet une prédiction simple de l’évolution des concentrations en particules en fonction de leur distribution granulométrique dans les classes d’écoles. / During this thesis, we chemically characterized (metals, EC, OC) then studied the sources and the fate of airborne particles (PM10, PM2,5, PM1) in indoor air. Another part of this work concerns the modelization of their behavior in class-rooms of primary schools in the Nord Pas de Calais region. These PM10 values largely and almost systematically exceed (average value for eight schools: 97 ± 28μg/m3) the daily limit values (50μg/m3) for indoor air (WHO and ANSES recommendations). The only elements Al, Ba, Ca and Fe clearly associated to an indoor source are linked to the use of chalk. Although there is a significant amount of particles of outdoor origins found in class-rooms (such as traffic, industrial or natural sources), pupils’ physical activities represent the major source of airborne PM10 in indoor air. The resuspension phenomenon doesn’t influence significantly the elemental (major and traces elements) distribution of the indoor PM10.The modelization of the evolution of indoor PM10 is clearly influenced by the activities of the pupils in class-rooms, requiring taking into account the resuspension phenomena. In addition, the behavior of particles is associated to their size distribution as well as the intrinsic characteristics of the building envelope which control the indoor-outdoor air exchange.The deterministic model developed in this work will allow easily simulating the evolution of particle concentrations according to their size distribution in class-rooms.

La fissuration à chaud est un problème récurrent et critique pouvant mener à des défaillances lorsque les pièces formées sont soumises à diverses sollicitations dans leurs conditions d'utilisation comme dans le secteur automobile. Cette étude permet d'une part de valider la géométrie d'un moule destiné à évaluer la susceptibilité à la fissuration à chaud d'alliages d'aluminium moulés avec cette technique et d'autre part de définir un nouveau critère permettant d'expliquer la cause principale de l'apparition de fissuration à chaud. La fissuration à chaud ne se produit seulement lorsque le semi-solide se situe dans son intervalle de fragilité situé entre la fraction critique de solide et le point de rigidité de l'alliage. Un alliage avec une forte susceptibilité à la fissuration à chaud (Al-1%mCu) a été comparé avec un alliage ayant une plus faible fréquence d'apparition de fissure (Al-5%mCu). L'analyse par éléments finis opérée avec le logiciel ABAQUS/Explicit a permis de montrer que la pression hydrostatique est le facteur permettant d'expliquer l'apparition de fissurations à chaud et lorsqu'elle atteindrait une valeur critique de -0.1 MPa, les porosités prendraient tellement d'expansion qu'elles se propageraient sous la forme d'une fissure dans le semi-solide. La valeur de la pression hydrostatique critique dépend donc de la fraction critique de solide, du taux de refroidissement, de la quantité d'hydrogène dissout dans le liquide, de la microstructure et des contraintes de traction. Cette théorie peut ainsi être généralisée à tous les alliages d'aluminium. / Hot tearing is a critical problem which occurs very often during solidification process and can lead to failure when the part is exposed to different stresses like automotive field. First, the geometry of the mold allowing the hot tearing susceptibility study for aluminium alloys used in High Pressure Vacuum Die Casting technic has been verified. Then, a new criterion is proposed to explain hot tearing arrival and its propagation into the semi-solid. Hot tearing occurs only during a weakness interval of temperature depending on the cooling rate, the microstructure, and the solid fraction of the alloy. An alloy with a high hot tearing sensitivity (Al-1%wtCu) is compared with another alloy with a smaller hot tearing sensitivity (Al-5%wtCu). Finite Element Analysis were performed with the software ABQUS/Explicit to prove that hydrostatic pressure is the criterion allowing to explain hot tearing formation and when the hydrostatic pressure is more negative than the critical value of -0.1MPa, porosities can grow up and propagate it into the semi-solid with the shape of a tear. In this case, the value of the critical hydrostatic pressure depends on the critical solid fraction, the microstructure, the cooling rate, dihydrogen concentration dissolved in the liquid fraction and the tractions stresses. This theory can be applied to all of the aluminium alloys.

Ce mémoire présente la conception d'un mini robot d'interaction rétroentraînable translationnel à trois degrés de liberté pour des tâches de finition de pièces métalliques, telles que le polissage et l'ébavurage. Le mini robot sert de tête de compliance, permettant l'adaptation d'un robot industriel à une pièce. Les propriétés physiques du mini robot permettent l'implantation d'un algorithme de commande en impédance lors de l'utilisation du système. La faible masse du mécanisme permet de l'installer à l'effecteur d'un robot industriel, formant ainsi un système de type macro-mini. Malgré la faible taille du mini robot, il peut exercer les forces de contact nécessaires pour effectuer des tâches de finition. Premièrement, un prototype d'un robot translationnel plan à deux degrés de liberté est préalablement conçu. Un algorithme de commande en impédance est développé et est ensuite testé conjointement avec le prototype afin de vérifier ses performances pour une tâche prédéfinie. Ensuite, un prototype du mini robot à trois degrés de liberté est conçu. Différentes architectures de robots translationnels à trois degrés de liberté sont comparées ; l'architecture la plus appropriée pour le projet est sélectionnée. Des paramètres géométriques sont sélectionnés pour le robot. Les capacités physiques de l'architecture sont prédites afin de s'assurer de respecter tous les critères de conception. Par après, l'algorithme de commande en impédance est adapté au mini robot. Celui-ci est installé sur un robot portique afin de former le système macro-mini. Des tests de sablage sont effectués afin de valider le fonctionnement du système et permettent d'identifier différentes problématiques du système. L'architecture du mini robot est modifiée afin de diminuer l'effet de ces problématiques. De nouveaux tests sont effectués afin de valider l'amélioration des performances du système avec cette nouvelle version du mini robot. Des recommandations sont formulées quant au concept de la tête de compliance et les limites d'utilisation de celle-ci sont établies. Le mini robot est comparé aux têtes de compliance actuellement sur le marché. Finalement, une méthode permettant d'évaluer l'amplitude des forces de friction du mécanisme est présentée. Une première ébauche d'un algorithme de compensation de la friction est aussi développée. / This Master's thesis presents the design process of a backdrivable three-degree-of-freedom translational mini robot used to control the interaction with a metallic part during finishing tasks, such as polishing and deburring. The mini robot acts as an active contact flange, allowing an industrial robot to adapt to a part. The physical properties of the mini robot make it possible to implement an impedance control algorithm when using the system. The low mass of the mechanism allows it to be installed at the end-effector of an industrial robot, forming a macro-mini system. Despite the small size of the mini robot, it can apply the necessary contact forces to accomplish the finishing tasks. Firstly, a prototype of a two-degree-of-freedom planar translational robot is first conceived. An impedance control algorithm is developed and is then tested using the planar robot to evaluate its performance when accomplishing a predefined task. Then, a prototype of the mini robot is designed. Different three-degree-of-freedom robot architectures are compared; the most suitable architecture for the project is selected. Geometrical properties are initially chosen for the robot. The physical capabilities of the architecture are predicted to ensure that the design criteria are satisfied. The impedance control algorithm is then adapted to the mini robot. The macro-mini system is formed by installing the mini robot on a gantry robot. Sanding tests are carried out in order to validate the performance of the system. The results of the tests reveal a few issues with the robotic system. The architecture of the mini robot is therefore modified in order to mitigate the impact of the issues previously identified. New tests are carried out with the intention of validating the improvement of this new version of the mini robot's performance. The results of the second series of tests are used to make recommendations about the contact flange's design and usage limitations are established. The mini robot is compared to other contact flanges already available on the market. Finally, a method allowing the determination of the magnitude of the mechanism's friction forces is presented. A first draft of a friction compensation algorithm is developed.

L'étude de l'écologie des bactéries, du phytoplancton et du zooplancton est d'intérêt majeur puisque ces organismes constituent la base du réseau trophique. En milieux côtiers, ces communautés planctoniques sont soumises à des apports anthropiques susceptibles de modifier leur écologie. C'est dans cette problématique que se situe ce travail de thèse. Un suivi annuel (avec un pas d'échantillonnage bimensuel) ainsi que nycthéméral, des bactéries, du phytoplancton et du zooplancton a été effectué dans deux écosystèmes différemment influencés par les apports anthropiques, la Petite Rade et la Grande Rade de Toulon (France, Méditerranée occidentale). Durant le cycle annuel, les concentrations de cuivre, plomb et cadmium ont également été dosées dans l'eau, la matière particulaire en suspension, les bactéries, le phytoplancton et le zooplancton. Il en a résulté que l'écologie planctonique était principalement influencée par les facteurs météorologiques, les deux rades démontrant une écologie différente du fait de leur géomorphologie. La Petite Rade a notamment mis en évidence une densité planctonique supérieure et une diversité inférieure à celles de la Grande Rade. Concernant les métaux, l'étude in situ a permis de mettre en évidence des concentrations métalliques plus importantes dans la Petite Rade que dans la Grande Rade, quel que soit le compartiment étudié. Il a été également montré que certains facteurs tels que la densité, la composition taxonomique et le milieu dans lequel évoluent les communautés planctoniques, avaient une influence sur l'évolution des concentrations métalliques dans les communautés planctoniques. Les bactéries et le phytoplancton ont démontré des capacités d'accumulation des métaux, en particulier pour le cuivre et le plomb, très importantes. En revanche, le zooplancton semble constituer une rupture dans la bioaccumulation des métaux dans le réseau trophique. Enfin, le rôle prépondérant de la matière particulaire en suspension dans le piégeage des métaux a été confirmé, démontrant de ce fait la nécessité de travailler sur des échantillons planctoniques purs pour avoir une bonne estimation des concentrations métalliques dans les différents compartiments planctoniques

Dans le but de synthétiser des matériaux capables de complexer sélectivement des ions métalliques et des molécules biologiques, de nouveaux récepteurs calixaréniques ont été synthétisés. Après une étude bibliographique présentant les travaux réalisés dans la littérature dans le domaine de la synthèse des calixarènes, des calixarènes porteurs de groupes organosiloxanes greffés sur une silice mésoporeuse de type SBA15 ont été synthétisés dans la deuxième partie. Les études des propriétés extractantes du matériau porteur d'un seul bras organosiloxane greffé, vis-à-vis des ions métalliques Cu2+, Zn2+, Bi3+, Co2+, Cd2+, Ni2+ et Pb2+, ont révélé une haute affinité vis-à-vis de tous les cations avec une meilleures sélectivité envers les ions Pb2+. La troisième partie de cette thèse concerne la synthèse et l'étude de complexation, par spectroscopie UV-visible en solution, de nouveaux ligands thiacalixaréniques triamides vis-à-vis des métaux lourds et des métaux de transition. Les résultats de cette étude ont montré que la protection du groupement hydroxyle résiduel par une chaine n-propyle ou un groupe ester ne modifie pratiquement pas la nature des complexes à l'exception des sels de mercure (I) et (II). Ainsi, le ligand triamide est le seul à complexer le mercure (I) mais ce récepteur ne présente aucune affinité vis-à-vis de l'ion mercure (II). L'introduction des groupements n-propyle, ester ou d'un quatrième groupement amide améliore l'affinité de ces ligands vis-à-vis de l'ion mercure (II). Enfin, la quatrième partie s'intéresse à la synthèse de copolymères calixaréniques en vue de complexer des molécules biologiques. Deux stratégies de synthèse ont été décrites.et différentes voies réactionnelles ont été mises en œuvre

Cette étude est dédiée à établir un outil de prédiction de durée de vie pour un métal polycristallin soumis à des chargements multiaxiaux complexes en fatigue à grand nombre de cycles. Afin d'appréhender les mécanismes de plasticité et d'endommagement à modéliser, une campagne d'expériences menées sur un acier type C35 est effectuée dans la première partie de l'étude. Les options de modélisation sont choisies en lien avec cette caractérisation précise des mécanismes. La modélisation s'intéresse à la prévision à la fois du domaine de l'endurance infinie et celui de la durée de vie limitée (105 – 107 cycles). Pour répondre au premier objectif, un critère de fatigue multiaxiale basé sur des invariants des contraintes est proposé. Malgré une formulation simple, les confrontations du critère avec une large base de données sont satisfaisantes. En ce qui concerne le deuxième objectif, afin de dépasser une description purement phénoménologique, un modèle d'endommagement à deux échelles (macro – méso) intègre le critère proposé et est construit dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles permettant de traduire le plus fidèlement possible les mécanismes de dégradation à l'échelle mésoscopique ainsi que capter l'effet de déphasage et le cumul non linéaire du dommage. Au-delà des chargements à amplitude constante, le caractère incrémental du modèle ouvre la perspective du traitement des chargements à amplitude variable.

L'objet de ce travail est d'étudier l'influence des revêtements natifs (oxydes) sur les propriétés élastiques du substrat associé. L'étude a été effectuée sur du nickel pur polycristallin, matériau modèle pour l'oxydation. Les couches d'oxyde de nickel ont été élaborées à des températures et des durées différentes. Elles sont toutes caractérisées par une microstructure duplex comprenant une couche interne à grains équiaxes et une couche externe à grains colonnaires. Les propriétés élastiques du revêtement ont été caractérisées à température ambiante par indentation instrumentée. Si un effet de microstructure locale de la couche d'oxyde est détecté sur la réponse élastique, il reste toutefois assez ténu. Les propriétés élastiques macroscopiques des systèmes Ni/NiO ont été examinées en fonction de la température à l'aide de la méthode dynamique résonante. L'évolution des modules d'élasticité en température du substrat de nickel est caractérisée par un comportement très atypique. La présence de couches d'oxyde, pourtant en très faible proportion volumique, modifie considérablement ce comportement. De plus, selon les conditions d'oxydation et la configuration des couches, l'effet est plus ou moins marqué. Le comportement élastique atypique du nickel en température est associé à un couplage de type multi-physique, lié à son caractère ferromagnétique. Dans ce cadre, nous avons suggéré que les contraintes internes, engendrées dans le substrat nickel par l'oxydation à haute température, limitent l'effet magnéto-élastique et tendent à induire un comportement classique purement élastique.

Afin de demeurer compétitive, la métallurgie des poudres (MP) se doit de pouvoir répondre de façon efficace à des défis des plus exigeants en termes de propriétés mécaniques statiques et surtout dynamiques. Qui plus est, le problème récurrent de l’usinabilité médiocre des pièces MP ne peut être ignoré. C’est dans ce contexte que se situe l’étude résumée ci-dessous. Le but étant d’optimiser la composition chimique de poudres de fer afin d’obtenir des particules de deuxième phase qui permettent de maximiser l’usinabilité tout en minimisant leur effet néfaste sur la résistance à la fatigue. L’approche est basée sur le préalliage de particules de sulfure de type (Fe, Mn)S. Une attention particulière a été portée à l’ajustement de la concentration en manganèse de façon à minimiser sa concentration en solution solide dans la matrice de fer afin d’affecter le moins possible la compressibilité de la poudre. En plus des sulfures, la poudre de base a été également préalliée avec 0,11 %-pds. d’étain. Ainsi, lors du frittage de pièces fabriquées à partir d’un mélange de type FC-0208 préparé à partir de poudres expérimentales dans cette recherche, l’étain s’est combiné au cuivre pour former des particules de bronze qui précipitent sur les particules de sulfure préalliées. Les résultats ont montré que le nouvel alliage présente une compressibilité supérieure à celle de l’ATOMET 29M fabriquée par RioTinto Poudres Métallique et qui est reconnue comme l’une des poudres de fer commerciales présentant la meilleure usinabilité par l’utilisation de particules de nitrure de bore hexagonal. De même, les propriétés statiques mesurées sont également supérieures à celles de la poudre de référence. La caractérisation de la résistance à la fatigue et l’usinabilité des mélanges frittés expérimentaux développés dans cette étude montrent également des propriétés supérieures comparées au mélange de référence de FC-0208. / In order to remain competitive, powder metallurgy (PM) must be able to respond effectively to the most challenging problems of the static and particularly dynamic mechanical properties. Moreover, the recurring problem of poor machinability of PM parts cannot be ignored. It is in this context that the below summarized study is. The goal is to optimize the chemical composition of iron powder in order to obtain second phase particles that maximize machinability while minimizing their negative effect on fatigue resistance. The approach is based on the prealloyed sulfide (Fe, Mn)S. A particular attention was paid to the adjustment of the manganese concentration in order to minimize its concentration in solid solution in the iron matrix to minimise its effect on compressibility of powder. Besides the sulfides, the base powder was also prealloyed with 0.11% -pds. Tin. Thus, during sintering the manufactured parts from a FC-0208 type prepared from experimental powders in this research, the Tin was combined with copper to form bronze particles that precipitate on the prealloyed sulfide particles. The results showed that the new alloy has a higher compressibility than the ATOMET 29M produced by RioTinto Metal Powders that is known as one of the commercial iron powders having the improved machinability by using hexagonal nitride boron particles. Similarly, the measured static properties are also superior to that of the reference powder. The characterization of the fatigue strength and machinability of the experimental sintered mixtures developed in this study also show superior properties compared to the reference mixture FC-0208.