Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les matériaux métalliques polycristallins sont des agrégats de grains plus ou moins favorablement orientés, par rapport à l'axe de sollicitation, pour le glissement plastique. Lors d'une sollicitation mécanique, cette diversité d'orientations cristallines conduit à une hétérogénéité de la déformation à l'échelle de la microstructure: des déformations plastiques locales peuvent apparaître dans certains grains alors que l'échantillon est macroscopiquement sous chargement élastique. Par ailleurs, cette plasticité locale s'accompagne de l'émergence du glissement en surface du matériau ainsi que d'une dissipation d'énergie. La description fidèle de ces phénomènes mécaniques et énergétiques, à l'échelle d'apparition de la plasticité et de l'endommagement, ouvre alors la perspective d'identifier des modèles mécaniquement admissibles et énergétiquement fondés. L'objectif de ces travaux est donc de développer les moyens expérimentaux nécessaires à la réalisation de telles analyses mécaniques et énergétiques à l'échelle microstructurale. Pour accéder simultanément aux informations cinématiques et thermiques à l'échelle la plus fine possible actuellement, celle des grains d'un polycristal, des mesures de champs de température par thermographie infrarouge et de champs de déformation par corrélation d'images numériques sont donc mises en œuvre au sein d'un dispositif original de couplage des deux techniques. Ce dispositif permet alors une étude simultanée des champs de température et de déformation d'un acier inoxydable austénitique 316L sous sollicitations uniaxiales monotones et cycliques. / Polycrystalline metallic materials are made of an aggregate of grains more or less well-oriented, with respect to the loading axis, for plastic slipping. Under mechanical loading, this diversity of crystalline orientations leads to a heterogeneous deformation at the microstructure scale: local plastic strains can arise within sorne grains whereas the sample is under macroscopic elastic loading. Besides, local plasticity triggers the appearance of slip marks at the surface of the material along with a thermal dissipation. An exact description of these mechanical and energy phenomena, at the scale where plasticity and damage take place, bring forth the outlook for identification of mechanically admissible models in good agreement with energy considerations. The aim of this study is thus to develop the experimental means enabling the realization of such mechanical and energy analyses at the microstructure scale. ln order to get simultaneous kinematic and thermal data at the finest scale reachable nowadays, the polycrystal's grains scale, temperature fields are grabbed by infrared thermography and strain fields by digital image correlation within an original experimental coupling device. Thanks to this experimental set-up, temperature and strain fields have been studied simultaneously during monotonie and cyclic uniaxial loadings for a 316L austenitic stainless steel.

Les matériaux iridescents changent de couleur avec la géométrie d’éclairage et d’observation de l’objet. La croissance de leur utilisation dans des domaines comme la peinture automobile et la cosmétique fait du contrôle de leur apparence un enjeu. L’objectif de ce travail est de mettre en place un protocole de caractérisation qui permettrait d’évaluer les grandeurs caractéristiques de la perception du goniochromisme. Une caractérisation instrumentale et une autre sensorielle ont permis de recenser les attributs physiques et sensoriels qui caractérisent ces matériaux. Une confrontation des résultats de ces deux évaluations a été réalisée afin de chercher à exprimer les grandeurs sensorielles caractéristiques des matériaux goniochromes en fonction de grandeurs mesurables instrumentalement. / Iridescent materials change their colour with the geometry of illumination and observation. The growth of their use in domains like automotive painting and cosmetics constitutes an important issue for appearance control. The aim of this work is to develop a protocol for evaluating the characteristics of goniochromism perception. Both instrumental and sensory measurements allowed us to determine the relevant physical and sensorial attributes characterising these materials. A confrontation of the results of both evaluations was carried out in order to express the sensory characteristics of the goniochromic materials according to instrumentally measurable quantities.

L’étanchéité à l’interface, le retrait de polymérisation, le taux de conversion, la contrainte de polymérisation et l’influence du facteur C, l’absorption d’eau et la solubilité de trois résines composites de restauration photopolymérisables ont été évalués in vitro. Une résine condensable (Filtek P60), une résine fluide (Filtek Flow) et leur adhésif (Scotchbond 1) et un ormocer et son adhésif (Admira & Admira Bond) ont été utilisés, la polymérisation s’est faite à l’aide d’une lampe LED selon deux modes continus de 20s et 40s et selon un mode exponentiel de 20s. L’étanchéité a été évaluée selon la pénétration d’un colorant (ISO 11405) ainsi qu’en MEB, la technique de la déflection de la lame de verre a été utilisée pour déterminer le retrait de polymérisation, la contrainte de polymérisation a été déterminée à l’aide d’une machine de traction, le taux de conversion a été mesuré en spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, l’absorption/ solubilité a été mesurée selon la méthode ISO 4049. L’étanchéité est significativement supérieure pour tous les matériaux à l’interface amélaire par rapport à l’interface cémentaire. Les retraits de polymérisation sont significativement différents pour tous les matériaux. Le mode de polymérisation affecte significativement les cinétiques de contraction. Les taux de conversion et les contraintes de polymérisation sont significativement différents pour tous les matériaux sans influence du mode de polymérisation. La diminution du facteur C entraine une diminution des contraintes et de leurs cinétiques. D’importantes différences d’absorption/ solubilité ont été mises en évidence entre les matériaux. / Interface tightness, polymerization shrinkage, conversion rate, polymerization stress and corresponding C-factor, and water absorption/ solubility of three photo-polymerizable composite resins were evaluated in vitro. They included a condensable resin (Filtek P60), a fluid resin (Filtek Flow), both with their adhesive (Scotchbond 1), and an ormocer with its adhesive (Admira & Admira Bond). Polymerization was performed using a LED lamp in two continuous modes (20s and 40s), and in the exponential mode (20s). Tightness was evaluated using a dye penetration test (ISO 11405) and SEM analysis. The glass slide deflection technique was used to determine polymerization shrinkage. Polymerization stress was determined with a materials testing machine. Conversion rate was measured by Fourier Transform Infrared Spectroscopy, and absorption/ solubility was measured by the ISO 4049 test method. All materials with enamel interfaces were significantly better for tightness than were cement interfaces. Polymerization shrinkage was significantly different for all materials. The polymerization mode had a significant impact on shrinkage kinetics. Conversion rates and polymerization stresses were significantly different for all materials but were not affected by the polymerization mode. The decrease in factor-C reduced stress and stress kinetics. The different materials showed marked differences in absorption/ solubility.

La plupart des géomatériaux sont hétérogènes à différentes échelles matérielles. Le comportement mécanique macroscopique de ces matériaux dépend directement de la composition minéralogique et de la microstructure ainsi que leurs évolutions. Cette étude fait un simple essai d'étendre le modèle polycristallin le plus largement utilisé en métallographie à un type de matériaux géologiques quasi-fragiles : le granit. La fonction de charge standard et le potentiel plastique sont modifiés pour tenir compte des principales caractéristiques mécaniques des géomatériaux, e.g. la sensibilité à la pression et la dilatance plastique. Ce modèle d'auto-cohérence d'abord proposé par Hill est adoptée pour relier les champs locaux et ceux globaux. La réponse du macropolycristal est déterminée par le procédé d'homogénéisation classique. La mise en œuvre de la procédure numérique de stress microscopique et macroscopique est donnée et les éventuelles difficultés rencontrées sont mis en évidence. L'identification de sept paramètres micromécaniques est brièvement décrite. La validité du modèle développé est vérifiée par la comparaison entre les prédictions du modèle et les données expérimentales sur le test conventionnels et aussi sur le test traditionnel -- compression triaxiale. / Most geomaterials are heterogeneous material at different scales. The macroscopic mechanical behavior of these materials depends directly on the mineralogical composition and microstructure as well as their evolution. The present study makes a simple trial to extend the most widely used polycrystalline model in metallography to a typical quasi-brittle geological material--granite. The standard yield criterion and plastic potential are modified to consider the main mechanical features of geomaterial, e.g. pressure sensitivity and plastic dilatancy. The full self-consistent model firstly proposed by Hill is adopted to relate the local fields and overall ones. And the macro response of polycrystal is determined by the classical homogenization process. The numerical implementation of local and macro stress update procedure are given and the possible difficulties encountered are pointed out. The identification of seven micromechanical parameters is briefly described. The validity of the developed model is checked through the comparisons between model's predictions and experimental data on both conventional and true triaxial compression tests, respectively.

Les marchés de la thermoélectricité sont en pleine expansion avec l’intérêt croissant pour la récupération d’énergie thermique ou encore pour la gestion de la température de composants électroniques. En dépit de ses nombreux avantages, le développement de cette technologie est freiné par les performances des matériaux. Une voie d’amélioration identifiée est leur nanostructuration afin d’en diminuer la conductivité thermique de réseau.Dans ce travail de thèse, cette voie est appliquée au tellurure de bismuth, matériau connu pour posséder les meilleures performances autour de la température ambiante. Les matériaux sont obtenus par synthèse de nanoparticules en solution avant d’être mis en forme par pressage à chaud.Une première étude est réalisée sur la recherche d’un optimum de la taille de grain dans le massif. On montre que le contrôle des conditions de synthèse permet le contrôle des dimensions des nanoparticules. Par ailleurs, les analyses structurales et fonctionnelles des massifs après densification montrent que la variation de la taille initiale des particules permet le contrôle de la microstructure et des propriétés detransport des massifs.Une seconde étude porte sur la recherche d’un optimum en composition des matériaux Bi2Te3-xSex. Les analyses morphologiques mettent en évidence une structure complexe et particulière, laissant apparaitre la présence de trois phases dans les massifs.Les matériaux obtenus par cette méthode de synthèse possèdent a priori des propriétés de transport anisotropes. La caractérisation de leurs performances thermoélectriques est donc difficile. Plusieurs techniques de caractérisation sont mises en oeuvre afin de mieux connaitre leurs conductivités thermiques. Celles-ci sont faibles, ce qui montre l’intérêt de l’approche. Toutefois, leur conductivité électrique est plus basse que leurs homologues obtenus par des techniques plus conventionnelles. On montre néanmoins que l’optimisation des conditions de synthèse des particules entrant dans la composition des massifs alliés permet d’améliorer leurs propriétés électriques et donc leurs performances thermoélectriques / The global thermoelectric markets are in expansion with a growing interest for the energy harvesting or the thermal management of electronic components. Despite numerous advantages, this technology development is limited by the materials performances. A way to improve them is to use nanostructures in order to decrease the lattice thermal conductivity.In this work, this approach is applied to bismuth telluride, material well known for its high performance around room temperature. Materials are obtained from solution synthesis of nanoparticles before hot press compaction.A first study focuses on the determination of an optimal grain size in the bulk materials. It is shown that control over the synthesis parameters allows control on the size of nanoparticles.Moreover, structural and physical analyses on the bulks after sintering show that the change of thesynthesis parameters allows control over the microstructure and thermoelectric properties of the bulks.A second study is based on the study of an optimal composition of Bi2Te3-xSex materials. Morphological analysis show a specific and complex structure with three phases in the bulks.It is postulated that these materials should have anisotropic transport properties. Consequently, their characterizations are difficult. Different characterization techniques are used in order to have a better understanding of their thermal conductivities. Thermal conductivity of the bulks is found low which confirm the interest of this approach. However the electrical conductivity is lower than the one of the materials obtained by more conventional methods. We show that the synthesis parameters of the particles can be optimized to increase the thermoelectric performances of the bulk materials.

L'utilisation des moyens de calcul de type éléments finis couplés aux progrès techniques en matière de mesures de champs expérimentaux, tant microstructuraux que mécaniques, ouvrent la voie à une richesse de dialogue expérience/calcul qui ne se limite plus à la seule réponse macroscopique obtenue sur un volume élémentaire représentatif. <br />L'objectif de ce travail concerne l'exposé de la méthodologie adoptée et des outils développés pour l'identification de paramètres pertinents de lois de comportement de matériaux hétérogènes à partir de la définition de leur microstructure et des mécanismes responsables, au sein du volume élémentaire représentatif, de leur comportement élasto-plastique voire de leur endommagement. Nous nous intéresserons tout particulièrement à préciser la notion d'hétérogénéités, qui est fortement dépendante de la base de mesure choisie, que se soit pour l'expérimentation ou pour les simulations numériques. Nous aborderons d'autre part, les questions relatives à la pertinence de mesures de surface pour décrire le comportement d'un volume de matière puis nous nous focaliserons sur l'intérêt d'utiliser des mesures cinématiques, obtenues en cours d'essais mécaniques in situ comme conditions aux limites des simulations numériques. <br />Nous discuterons de la mise en place de cette méthodologie à partir de résultats obtenus à partir d'alliages métalliques et de matériaux virtuels.

La bifurcation et la propagation de fissure dans un matériau élasto-plastique sous chargement en mode mixte avec la présence de contraintes résiduelles sont etudiées numériquement et expérimentalement. En combinant les essais expérimentaux et les simulations numériques, nous développons une procédure pour prévoir, sous conditions statiques, le début de propagation, le type de rupture, et le trajet de fissuration dans un matériau ductile. De nombreux essais expérimentaux sont effectués sur les éprouvettes en alliage d'aluminium et en acier contenant une fissure en mode mixte . Un modèle de propagation de fissure est proposé. Il permet d'evaluer la vitesse de propagation de fissure en mode mixte avec la présence de contraintes résiduelles de soudage. Dans ce modèle, l'influence du taux de mixité et l'inflence des contraintes résiduelles de soudage sont prises en compte.

Ce travail concerne l'étude de matériaux de structure spinelle sous irradiations. Pour cela, des échantillons de ZnAl2O4 polycristallins et MgAl2O4 monocristallins ont été irradiés par différents ions lourds de hautes énergies. Les échantillons de ZnAl2O4 ont été étudiés par microscopie électronique en transmission ainsi que par diffraction des rayons X en incidence rasante et analyse Rietveld. Les échantillons de MgAl2O4 ont été étudiés en spectroscopie optique. Les résultats concernent principalement l'amorphisation et les modifications de la structure cristalline de ZnAl2O4, notamment l'inversion. Nous avons pu déterminer un seuil en pouvoir d'arrêt pour l'amorphisation, compris entre 11 keV/nm et 12 keV/nm, ainsi que la cinétique d'amorphisation, qui est une cinétique à multiples impacts. Nous avons étudiés par MET l'évolution de la fraction amorphe et avons mis en évidence un phénomène de nanopatterning. Concernant l'inversion, nous avons pu déterminer qu'elle se faisait via un processus d'impact unique, et que sa valeur à saturation n'atteignait pas celle d'une répartition aléatoire des cations. L'inversion et l'amorphisation possèdent des seuils de déclenchement en pouvoir d'arrêt différents, bien que très proches. L'amorphisation semble cependant être conditionnée par un préendommagement du matériau qui se traduit également par une inversion.

As in many thermal processing technologies, there is a delicate balance between productivity and quality during ingot cooling process. Higher cooling velocities increase productivity but also create higher temperature gradients inside the ingot. Such a fast cooling does not leave sufficient time to establish the equilibrium within the solid, thus in the most affected surface layer the composition and crystalline structure are different from those in the bulk metal. The heat flux plays a particular role for the production of alloys where different melting points and complex structure formation -depending on the temperature- are present. To prevent the two worst cases - cracking and remelting - during cooling a balance has to be found between good productivity and quality on the one side but also a high security on the other side. To avoid the negative effects of cracking and remelting, it is necessary to determine the heat flux as a function of the influencing parameters and to control the cooling in order to obtain a maximal productivity with the required quality. There is no widely accepted method for the quantitative characterization of the cooling capacity of the water. The cooling may be characterized by the heat transfer coefficients measured in different boiling regimes on the surface or directly by the heat flux. As the fluid flow and heat transfer phenomena are very complicate in the falling liquid-vapour film, using the heat transfer coefficients does not necessarily help the understanding of the underlying mechanisms. However, the correlation between the surface heat flux and temperature for a given surface roughness and water quality includes all the relevant information about the cooling process. Thus in the present project our main objective was to determine the surface heat flux for a water cooled ingot as a function of the water quality in order to provide a tool for assuring a uniform quality in the cast-shop. A further objective was to improve the understanding of the flow of boiling liquid film along a solid surface. The first challenge in the project was the development of a surface temperature and heat flux measurement method which does not disturb the ingot surface. A heat flux sensor attached onto the surface would have negative effects on the film-nucleate boiling process and increase the surface roughness that affects the nucleation of bubbles. Furthermore it was important that the measurement method be fast responding and sensitive enough to detect very rapid and weak variations in the surface temperature. Thus an innovative surface temperature sensing method - using an open-tip thermocouple - was developed. This sensor was inserted into a null-point cavity from the backside of the aluminium ingot. The open-tip sensor combined with the null-point cavity forms a null-point calorimeter. Using the inverse solution of the general heat conduction equation, it is possible to determine the surface heat flux from the measured temperature history. For the analytical solution of the heat conduction equation in one dimension we used the so called Cook-Felderman equation. It was also investigated how well the assumptions of the Cook-Felderman equation are applicable to the actual conditions in our experimental setup. For this purpose a computer program was developed. The algorithm uses the finite volume approach; the program was written in C++ and calculates the transient 2D temperature distribution in the solid sample. The two-dimensional model uses the measured temperature histories as boundary conditions. The computer predictions were used to determine the horizontal and the vertical heat flux components during the cooling process. Furthermore it was analyzed how the heat flux results obtained analytically by the Cook-Felderman equation compare to the more detailed numerical solutions. The cooling process is strongly influenced by the different water types and different ingot surfaces. Thus the investigations were focused on the difference between several water types such as tap water (conductivity: 90fiS), plant water (conductivity: 1900/uS') and water with higher conductivity (conductivity: 3200/uS). These water types were tested on different ingot surfaces to eliminate the influence of the surface structure. In addition, the effects of some water additives and a water-oil mixture on the surface heat flux were investigated. The surface temperature measurements were accompanied by a visualization of the surface boiling effects. Furthermore the difference between different ingot surfaces was analyzed. The tests made on machined and a rough surface ingots provided information about the differences in the temperature cooling curves as well as information about the structure of the cooling water film. All collected measurement and visualization data were analyzed to explain the surface flow and boiling effects during the cooling process. The dynamic structure of the falling water film was investigated. Certain characteristics in the temperature cooling curves can be explained with the structure of the water film. We achieved a very good experimental repeatability. We found that the repeatability of the boiling phenomena itself depends on the measurement position (height along the ingot). It was observed that there are more fluctuations on a machined ingot than on a rough surface ingot. Even two different rough plates have different heat flux results. The tests using different water types have shown that there is almost no difference between tap and plant water, neither on a machined nor on a rough ingot. A difference could only be found between tap water and high conductivity water.