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Thesis (M.S.)--Mississippi State University. Department of Mechanical Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 1998. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 258-270). Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

Experimental micromechanics of materials is a branch of science that seeks to build tight connections between composition, structure, processing and performance of materials under specific operating conditions required for particular technology applications. The present project is focused on the development of techniques that use the combination of electron, ion and X-ray microscopies to study the deformation behaviour of a particularly important class of metallic alloys used in the manufacture of aeroengines, namely, the so-called Ni-base superalloys. The complex hierarchical structure of these materials means that their macroscopic response is controlled to a great extent by the phenomena that play out on very fine scales, from angstroms (lattice spacing dimension) to nanometres (precipitates, phase boundaries, dislocations, chemical inhomogeneities) to microns (grains and their boundaries, defects and their clusters, dislocation pileups) to millimetres (component scale). Understanding the fine structure and deformation behaviour requires the development of specially configured experimental setup that allow the observation and quantification of deformation to external loading. In this study, FIB-SEM methods for sample characterization and fabrication were combined with synchrotron-based X-ray diffraction and imaging techniques, and backed up by theoretical analysis and numerical simulation, to elucidate the origins of the strength of these alloys. Micropillar compression tests using in-SEM nanoindentation were used to reveal the size dependence of the apparent strength, and connection was made with the dislocation-mediated crystal slip to provide an explanation of the observed Hall-Petch type dependence with a modified Hall-Petch equation considering both intrinsic and extrinsic characteristic lengths introduced. X-ray scattering was used in the polychromatic micro-Laue mode and using Bragg coherent diffractive imaging to reveal the crystal distortion arising due to plastic deformation. A Discrete dislocation dynamics in the 2.5D formulation was used to obtain a model description of the observed phenomena. The key outcome of the work presented in this thesis lies in the successful development of advanced observational tools and relevant theoretical or computational models for mesoscale plasticity problems for crystal with complex microstructure.

Ce mémoire s'intéresse au comportement hydro-mécanique de l'argilite. On montre que la théorie classique de Biot n'est pas du tout adaptée au cas de l'argilite. Une loi de comportement originale est alors construite grâce à des outils d'homogénéisation, en intégrant la microstructure de l'argilite et des phénomènes physiques existant aux échelles microscopiques, tels la surpression de gonflement au niveau des particules d'argile et les effets capillaires au niveau du réseau poreux. Cette loi de comportement permet d'expliquer tout un jeu d'expériences qui ne l'était pas par la théorie classique de Biot. Elle est ensuite enrichie pour intégrer les données expérimentales que sont la dépendance du tenseur d'élasticite au degré de saturation et la présence d'une porosité autour des inclusions. Cette loi de comportement pertinente, exploitée à partir du suivi dimensionnel d'échantillons sous chargement hydrique, permet de proposer une estimation pour le tenseur de Biot pour l'argilite. Afin d'alimenter cette équation d'état, on s'intéresse par ailleurs aux variations du degré de saturation d'un échantillon lors d'un séchage. Deux modèles de séchage sont étudiés et comparés, puis une modélisation du réseau poreux est proposée afin d'expliquer les mesures atypiques de perméabilité.

Une démarche globale pour l'estimation et l'élaboration de la fiabilité de systèmes mécaniques aux différentes étapes de leur processus de conception est proposée. Elle repose sur une approche multidisciplinaire exploitant une représentation système, physique et probabiliste des scénarios de défaillance. Combinant leurs interprétations système sans physique et physique sans système, elle assure la construction de modèles de fiabilité à la fois physiques et systèmes. Plusieurs stratégies d'évaluation sont alors déployées. Utilisant les outils du couplage mécano-fiabiliste (e.g. chaos polynomial, FORM/SORM), elles fournissent des mesures de fiabilité traditionnelles et permettent également la définition de chaînes de mesures d'importance originales. Celles-ci détaillent le poids et l'influence de chaque scénario et de chacun de leurs paramètres sur la réalisation des défaillances. L'optimisation de la conception est alors en partie assurée par l'analyse de fiabilité elle-même

L'utilisation de polymères thermoplastiques renforcés par des fibres de verre courtes (SGFRT) est en constante progression dans le domaine automobile car ils offrent de nombreux avantages : gains de masse, intégration de fonctions combinée à des géométries complexes et gain de productivité du fait de cadences élevées. Le Polyamide renforcé à 50% en masse, par des fibres de verre courtes, propose un très bon compromis technico-économique pour des applications sous capot moteur, y compris pour des composants structuraux. Ces applications nécessitent un dimensionnement à la fatigue fiable et optimisé. Les campagnes de caractérisation classiques se heurtent à la fois à la sensibilité thermomécanique à la fréquence de sollicitation et à la multiplicité des facteurs influents (process, environnement, multi-axialité, cumul, ...). Nous avons donc mis au point un protocole de caractérisation rapide à base d'essais d'auto-échauffement : cette technique, accompagnée d'un critère énergétique, permet un gain de temps considérable pour l'évaluation des différentes courbes d'endurance. Elle permet l'obtention d'une courbe d'endurance déterministe en moins de 2 jours et offre ainsi la possibilité d'étudier différents paramètres influents (géométrie, reprise en humidité, orientation des fibres, longueur des fibres, ligne de soudure ...). Son application à la caractérisation d'éprouvettes de structures et d'une structure industrielle a également illustré la pertinence de cette approche.

Le comportement thermomécanique des matériaux à mémoire de forme est étudié dans la plage de leur pseudoélasticité. En effet, le modèle Zaki-Moumni initialement validé dans les conditions de chargements quasi statiques, est étendu à l'effet de la vitesse de chargement par la prise en compte du couplage thermomécanique. Les résultats de la simulation de cette extension sont comparés à l'expérience et montre une bonne reproduction qualitative des observations à différentes vitesses de chargements et à température initiale fixée. Le modèle tridimensionnel est ensuite réduit pour analyser les oscillations unidimensionnelles d'un dispositif en matériaux à mémoire de forme. La réponse en fréquences de l'oscillateur forcé est alors investie autour de la résonance. Les oscillations isothermes et non isothermes ainsi que la dissymétrie en traction-compression de la force de rappel, sont prises en compte. Des phénomènes dynamiques tels que le chaos, le doublement de périodes et les sauts autour de bifurcations dans la solution, apparaissent pour des amplitudes de chargement élevées et pour des paramètres matériaux donnés.

De nos jours, l'utilisation de tunneliers à front pressurisé est souvent pleinement justifiée, en particulier en contexte urbain, où les terrains sont meubles, partiellement ou totalement saturés, et où la préservation du bâti impose une limitation drastique des pertes de volume au cours de l'excavation. Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension de la phénoménologie de ce mode de creusement et à développer de nouveaux outils d'aide à la justification des ouvrages, au dimensionnement des machines et au pilotage des chantiers. Dans un premier temps, des analyses sont menées à partir d'essais sur un modèle réduit de tunnelier à pression de terre original à l'échelle internationale. Celles-ci concernent le comportement en contraintes et déplacements du massif au cours du creusement en régime idéal, l'évaluation de la stabilité du front de taille, et l'analyse des grandeurs-machine du tunnelier. Les analyses réalisées sont menées en massifs de sol homogènes ainsi qu'en massifs stratifiés (bicouches/tricouches) configurations fréquemment rencontrées sur chantier. Dans un second temps, les analyses effectuées à l'échelle du modèle réduit sont confrontées à des données de chantier pour validation de la modélisation physique effectuée. Enfin, la modélisation théorique du creusement pressurisé des tunnels est étudiée. D'une part, les capacités et limites des outils analytiques (calcul à la rupture) et numériques d'évaluation de la stabilité du front de taille sont évaluées par confrontation avec nos résultats expérimentaux. D'autre part, une procédure de modélisation numérique du processus de creusement en régime idéal, calée sur la modélisation physique, est proposée.

Ce travail porte sur le développement d'une technique expérimentale qui peut aider à définir les paramètres clefs du comportement après impact de panneaux composites stratifiés. Pour cela, des modèles éléments finis ont été construits pour inclure des délaminages à partir d'observations de CT-scans d'échantillons impactés. Les résultats de ces modèles ont été comparés à des mesures expérimentales obtenues par une technique de mesure de champs de pentes: la déflectométrie. Ce travail aussi présente un nouvel indicateur d'endommagements basé sur l'application de la méthode des champs virtuels à l'évaluation d'écarts locaux à l'équilibre. Cette procédure d'abord détaillée est ensuite appliquée à des échantillons de types poutres et plaques. Les résultats expérimentaux illustrent la remarquable sensibilité de cette technique de mesure : elle permet de capturer les effets de très faibles endommagements. Aussi, cette technique montre que les simples modèles numériques présentés dans ce travail nécessitent des améliorations pour se rapprocher des données expérimentales. L'indicateur d'écart à l'équilibre a détecté correctement le contour des zones endommagées quand suffisamment d'information spatiale était disponible. Poursuivre ce travail permettrait de créer un outil précieux aidant la conception de pièces en composites.