The 400°C limitation to the most common nanoindenter material, diamond, is not due to diamond changing to graphite in air, which can happen above 750°C, but to the reaction of the nanoindenter with the sample, causing a change in the geometry. The nanoindentation methodology is very sensitive to a change in nanoindenter geometry, thus the typical solution for measurements above 400°C is to use a cBN nanoindenter. However, the cBN indenter that is commercially used at temperatures above 400°C is too soft for measuring hard coatings such as machine tool coatings. There is limited published research on improving nanoindentation measurements in this way. Thus, the objective of this thesis is to address whether a coated diamond could be used for nanoindentation between 400-750°C. Due to the results of early experiments PVD titanium is the focus of this thesis as it will adhere to diamond by forming a carbide interlayer, TiC. A methodology to determine the best coating based on resistance to oxidation and robustness of the coating at temperature was used, allowing the exploration of several different titanium based alloys and coating thickness. The methodology used is as follows: 1. PVD coatings of titanium and titanium based alloys TiAl, TiN, and TiAlN were oxidized at 500, 575, and 650°C. Measurements by SEM and EDS were taken after the oxidation at each temperature. Of the coatings tested, the pure titanium coating was determined to be the best coating. 2. The coating thickness of 0.25, 0.50, and 1.0 um were evaluated with the same static oxidation test applied to the different alloys. It was determined that 0.50 um was the best thickness. A duplicate 0.50 um thick sample had a cross-section machined by FIB, and was examined by STEM, HAADF and EELS. The results confirmed that TiC was being formed at the expected rate. 3. To determine whether a coated nanoindenter could be used for measurements, a nanoindenter was first calibrated, coated by PVD with 0.50 um thick titanium, and calibrated again. The results confirmed that a coated nanoindenter could be used for performing nanoindentation measurements. 4. To determine whether the titanium PVD coating would adhere to the diamond at temperature, a coated nanoindenter was used to measure fused silicon at 450°C. After each measurement, the nanoindenter was examined by SEM and EDS. The results confirmed that the titanium coating adhered to the diamond. This thesis demonstrates that a titanium PVD coating can protect a diamond nanoindenter during measurements between 400-750°C. The primary contributions are that coated diamond nanoindenters can be used for nanoindentation measurements, and that titanium PVD coated nanoindenters can be used for nanoindentation measurements between 400-750°C. Additional contributions include the testing of adhesion of titanium PVD coating to diamond between 400-750°C, and a methodology of evaluating coatings. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Yes / Polypropylene has been oriented by solid-phase deformation processing to draw ratios up to ∼16, increasing tensile stiffness along the draw direction by factors up to 12. Nanoindentation of these materials showed that moduli obtained for indenter tip motion along the drawing direction (3) into to 1–2 plane (axial indentation) were up to 60% higher than for indenter tip motion along the 2 direction into the 1–3 plane (transverse indentation). In static tests, tensile and compressive determinations of elastic modulus gave results differing by factors up to ∼5 for strain along the draw direction. A material model incorporating both orthotropic elasticity and tension/compression asymmetry was developed for use with Finite Element simulations. Elastic constants for the oriented polypropylene were obtained by combining static testing and published ultrasonic data, and used as input for nanoindentation simulations that were quantitatively successful. The significance of the tension/compression asymmetry was demonstrated by comparing these predictions with those obtained using tensile data only, which gave predictions of indentation modulus higher by up to 70%.

Many offshore energy infrastructures are built on carbonate sands which are skeletal remains of marine organisms. Carbonate sands have a porous grain structure and are more compressible compared to quartzitic sand grains which are abundant in alluvial depositional environments. Consequently, there is a stark difference in material behavior of carbonate sands and it is difficult to characterize this distinct behavior with conventional methods. This study focuses on micro-scale characterization of carbonate and quartzitic sands to overcome this challenge. Experimental studies consist of nanoindentation tests performed on 17 different sands; 7 quartzitic and 10 carbonate sand samples. Mechanical properties of individual sand grains with different mineralogies are determined using nanoindentation. A force is applied by the nanoindenter on the grain surface and the load-displacement curve is developed. Modulus and hardness of individual sand grains are evaluated. Nanoindentation test results show that modulus and hardness of carbonate sands are significantly lower than quartzitic sands. For quartzitic grains, mechanical properties are relatively independent of indentation depth; whereas, for carbonate grains there is a considerable decrease in both Young's modulus and hardness values with increasing indentation depth. Results from this study can further be used for the evaluation of compressibility and strength characteristics of these two types of sands as part of a multi-scale analysis framework. / Master of Science

Cette thèse vise à développer une méthode d'homogénéisation numérique multi-échelle pour la prédiction des propriétés élastoviscoplastiques d'un béton à haute performance (BHP), où les hétérogénéités microstructurales sont analysées par nanoindentation. La procédure d'homogénéisation a été effectuée en deux niveaux en fonction de la microstructure du BHP : le niveau correspondant à la matrice composée de produits d'hydratation, de clinker et de cendre volante, et le niveau correspondant au mortier qui contient la porosité et les agrégats. Le comportement élasto-viscoplastique des phases microstructurales individuelles de la matrice est identifié à partir des données de nanoindentation. Une méthode inverse est réalisée en utilisant la simulation par éléments finis des tests de nanoindentaion combinée à une procédure d'optimisation numérique. Les résultats micromécaniques sont ensuite utilisés comme paramètres d'entrée pour l'homogénéisation élastoviscoplastique numérique à l'échelle microscopique. Le niveau correspondant au mortier est analysé par homogénéisation numérique en utilisant la simulation par éléments finis pour prédire les propriétés globales du béton. Les résultats sont comparés aux résultats expérimentaux et analytiques macroscopiques issus de la littérature montrant un bon accord. La procéduredéveloppée dans ce travail donne des résultats prometteurs pour la prédiction des propriétés élasto-viscoplastiques du BHP et peut être étendue à d'autres lois de comportement, y compris l’endommagement. La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude expérimentale de deux bétons préparés avec deux adjuvants différents. / This thesis aims at developing a numerical multiscale homogenization method for prediction of elasto-viscoplastic properties of a high performance concrete (HPC) where the microstructural heterogeneities are analyzed with the nanoindentation. The homogenization procedure was separated into two-levels according to the microstructure of the HPC: the matrix level composedof hydration products, clinker and fly-ash and the mortar level which accounts for large air porosity and aggregates. The elastoviscoplastic behavior of individual microstructural phases of the matrix are identified from nanoindentation data. An inverse method is applied by using the finite element simulation of the nanoindentaion tests combined with a numerical optimizationprocedure. The micromechanical results are then used as input parameters for numerical elasto-viscoplastic homogenization at microscale. The mortar level is analyzed with numerical homogenization by using the finite element simulation to predict the overall elasto-viscoplastic high performance concrete properties. The results are compared with macroscopic experimental and analytical results from the literature showing a good agreement. The procedure developed in this work gives promising results for the prediction of HPC properties and can be extended to other constitutive laws including damage. The last part of the thesis is dedicated to the experimental study of two concretes prepared with two different adjuvants.

Shape memory polymers (SMPs) have been candidate materials for morphing applications. However, the SMPs have not been fully tested to work in relevant environments required for Air Force missions. In this study, an epoxy-based SMP was separately exposed to moisture, lubricating oil and UV radiation, which are simulated service environments designed to be reflective of anticipated performance requirements. The thermomechanical properties and shape memory effects were studied by using novel high-temperature nanoindentation technique. Results show that environmental conditions have affected the glass transition temperature and mechanical properties of the SMPs. In most cases, the conditioned SMPs exhibited higher elastic moduli than the unconditioned SMP. The shape recovery ability of the SMP was assessed by creating an indent and then observing the corresponding recovery according to the standard shape memory cycle. It was found that the deformation was mostly recovered for both conditioned and unconditioned SMP samples on heating the material above its glass transition temperature.

Les fibres naturelles telles que le lin, le chanvre, le bambou ou la miscanthus sont de plus en plus utilisées pour renforcer les composites industriels afin de réduire le poids, le coût et l’impact environnemental des produits. Elles remplacent les composites conventionnels tels que les composites à base de résine polymère et fibres synthétiques. Les méthodes de parachèvement par usinage de ces produits agrocomposites demeurent un verrou technologique et un défi scientifique. Ceci est dû principalement à la structure complexe des fibres végétales constituée de cellulose et issue des feuilles ou des tiges de plantes cultivées. Ce travail de thèse propose une analyse multiéchelle du comportement à la coupe de ces matériaux renouvelables qui exploite un procédé 2D de coupe orthogonale et un procédé 3D de coupe par fraisage. L’objectif étant de mieux appréhender les mécanismes physiques majeurs activés par le processus d’enlèvement de matière des agrocomposites. Aussi, pour identifier les effets d’échelle observés en usinage, une caractérisation tribo-mécanique des agrocomposites stratifiés par nanoindentation et rayage ainsi que des essais mécaniques spécifiques ont été réalisés. Les fibres végétales se différencient des fibres synthétiques par une flexibilité transversale qui leur confère une grande capacité à se déformer lors du contact avec l’outil de coupe. Ainsi, la rigidité mécanique du contact outil/matière contrôle ici la coupe par cisaillement plastique des fibres végétales et, par conséquence, la qualité de la surface usinée des agrocomposites. Les fibres végétales, associées à une matrice polymère thermoplastique, présentent par ailleurs un comportement mécanique élastoplastique avec un endommagement ductile lorsqu’elles sont sollicitées suivant leur direction transversale. Ceci explique la production de copeaux continus en usinage par opposition aux composites synthétiques conventionnels. Les comportements mécanique et tribologique des fibres végétales en usinage sont fonction de l’échelle de contact. Ceci explique le caractère multiéchelle de la coupe des agrocomposites dont l’usinabilité est intiment liée à la taille du renfort fibreux. / Natural fibers such as flax, hemp, bamboo or miscanthus are increasingly used as fibrous reinforcement in order to reduce the weight, the cost and the environmental impact of products. They replace the conventional composites based on polymer resin and synthetic fibers. The finishing operations by machining of these biocomposite products remain a technological issue and a scientific challenge. This is mainly due to the complex structure of natural fibers composed of cellulose and extracted from plant leaf or plant stem. This research work provides a multiscale analysis of cutting behavior of these renewable materials in 2D orthogonal cutting and 3D milling processes. The primary objective is to better understand the major physical mechanisms activated by the material removal process of biocomposites. Furthermore, to identify the scale effects observed in machining, a tribo-mechanical characterization of stratified biocomposites by nanoindentation and scratch as well as specific mechanical tests were carried out. Natural fibers are distinguished from synthetic fibers by a transverse flexibility, which enable them good ability to deform upon contact with the cutting tool. Thus, the mechanical tool/material contact stiffness controls the cutting by plastic shearing of plant fibers and, consequently, it controls the quality of the biocomposite-machined surfaces. Otherwise, natural fibers, associated with a thermoplastic polymer matrix, have an elastoplastic behavior with a ductile damage when they are stressed in their transverse direction. This explains the production of continuous chips when machining biocomposites, unlike conventional synthetic composites. The mechanical and tribological behaviors of plant fibers in machining are dependent on the contact scale. This explains the multiscale cutting character of biocomposites where the machinability is intimately related to the size of the fibrous reinforcement.

L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement plastique du carbure de silicium dans le domaine fragile. A cette fin, des essais de déformation par micro et nanoindentation ont été réalisés sur des échantillons monocristallins de SiC (4H et 3C). Des couches homoépitaxiées de 4H-SiC de différents dopages électroniques ont été étudiées. Ces couches présentent des caractéristiques mécaniques différentes en fonction du dopage : le dopage de type p durcit le matériau par rapport au dopage de type n ou au matériau intrinsèque. De plus, l'analyse des courbes charge-enfoncement obtenue en nanoindentation montre que la nucléation des dislocations est plus difficile lorsque le matériau est dopé de type p par rapport au matériau dopé n ou intrinsèque. Ceci est confirmé par les microstructures de déformation observées en Microscopie Electronique en Transmission (MET). Les observations par MET montrent que les dislocations introduites à l'ambiante autour des empreintes sont parfaites et glissent dans les plans {0001} dans le 4H-SiC et dans les plans {111} dans le 3C-SiC. Elles sont orientées principalement le long de la direction vis. Les sites de nanoindentation à température ambiante des couches 4H homoepitaxiées ont été particulièrement étudiés. On met en évidence que les sites de nucléation des dislocations sont vraisemblablement situés dans les plans {1100}, les dislocations se développant par la suite dans le plan basal. La nature des cœurs des dislocations parfaites a été déterminée par la technique LACBED. Ces dislocations parfaites ont un cœur silicium en mode shuffle. Un changement de mécanisme de plasticité est observé par MET pour les échantillons indentés 800 / The aim of this thesis is to study the plastic behaviour of silicon carbide in the brittle domain. For this purpose micro and nanoindentation deformation tests were performed on single crystal specimens of SiC (4H and 3C). Homoepitaxial layers of 4H-SiC with different doping have been studied. These layers show different mechanical characteristics as a function of doping: p-type doping hardens the material as compared to n-type doping or intrinsic material. In addition, load-penetration depthcurves show that the nucleation of dislocations is more difficult in p-doped material as compared to intrinsic or n-doped material. This is confirmed by deformation microstructures observations using Transmission Electron Microscope (TEM). TEM observations show that dislocations introduced around the imprints at room temperature are perfect dislocations gliding in the {0001} plane in 4H-SiC and in the {111} plane in 3C-SiC. They are mostly screw oriented. Room temperature nanoidentation imprints of4H homoepitaxied layers have been extensively studied. It is evidenced that dislocation nucleation sites are likely to be located in {1100} planes and that dislocations bow out subsequently in the basal plane. The core nature of perfect dislocations has been determined using the LACBED technique. Those perfect dislocations have a silicon core in the shuffle mode. TEM observations on specimens indented at 800ºC indicate a change in plastic deformation mechanism. At this temperature, partial dislocations with large stacking faults are observed.

Les propriétés mécaniques des objets complexes à l’échelle nanométrique constituent un enjeu majeur dans de nombreux domaines comme les nano-biotechnologies. La microscopie à force atomique (AFM) est l’outil idéal pour la mesure de force à cette échelle et permet de pratiquer des expériences d’indentation sur des objets nano et micrométriques isolées. Cette thèse de doctorat s’inscrit dans un contexte de développement d’un nano-objet à visée théranostique composé d’une coque polymère vitreuse contenant un coeur liquide fluoré. Les propriétés mécaniques de ces particules sont hautement mises à contribution, que ce soit pour le transport au sein d’un environnement biologique par voie intraveineuse ou pulmonaire, l’imagerie échographique ou encore la libération contrôlée d’un principe actif par ultrasons. La complexité de ces systèmes, aussi bien du fait de leur géométrie sphérique que de leur aspect composite, rend difficile l’appréciation de leurs propriétés mécaniques, et notamment de leur élasticité. En partant du constat que les objets composites présentent une élasticité variant avec la profondeur d’indentation, une méthode semi-analytique (CHIMER : Coated Half-space Indentation Model for Elastic Response) a été mise en oeuvre afin d’interpréter leur élasticité apparente. Afin de valider cette méthode, des films minces reposant sur des substrats de polydiméthylsiloxane (PDMS) ont été caractérisés par nanoindentation AFM. L'accord obtenu entre le modèle et les données expérimentales permet de comprendre et de prévoir le comportement élastique de films rigides reposant sur un substrat mou. Cette méthode a ensuite été utilisée pour interpréter l’élasticité apparente des capsules polymères. L’influence de l’épaisseur des capsules et de l’élasticité volumique des matériaux qui les composent a ainsi pu être mise en évidence. Cette méthode d’analyse originale a également permis de montrer l’effet de la température et de la fréquence sur l’élasticité apparente des capsules polymères contenant un coeur liquide fluoré. / The mechanical properties of complex objects at the nanometric scale are of great interest in many fields such as nanobiotechnology. Atomic Force Microscopy (AFM) is the ideal tool to measure forces at the nanometer scale and to perform indentation experiments onto isolated objects. This PhD work takes place in the context of the development of a nano-object intended to theranostic applications. These nanoparticules are composed of a glassy polymeric capsule containing a liquid fluorinated core. The mechanical properties of these capsules are fully deployed for the transportation in biological media as well as for the bouncing of ultrasound imaging and their localized destruction. The complexity of those systems, both in term of geometry and composite aspect, makes it difficult to assess their mechanical properties, in particular their elasticity. Giving the fact that composite objects show a variation of their elasticity according to the indentation depth, a semi-analytical method (CHIMER : Coated Half-space Indentation Model for Elastic Response) has been implemented to interpret the apparent elasticity of such system. In order to support this method, polydimethylsiloxane (PDMS) based bilayers have been investigated by AFM nanoindentation. A good agreement between the model and the experimental data has been found and the elastic behavior of a rigid film laid over a soft substrate has been well described at the nanometer scale. This model has also been used to investigate the apparent elasticity of polymeric capsules. The influence of the shell thickness and of the bulk elasticity of the polymer has been therefore shown. Moreover, this original approach has been used to describe the effects of temperature and frequency on the apparent elasticity of polymeric capsules filled with a fluorinated liquid core.

Ce mémoire présente une étude sur la caractérisation des propriétés mécaniques dépendantes du temps par nanoindentation instrumentée à différentes températures.Ce sujet de recherche porte sur l’adaptation des méthodes d’indentation classiques aux problématiques de la caractérisation à hautes températures. Les méthodes développées dans ces travaux ont pour premier objectif d’apporter une meilleure compréhension des phénomènes dépendants du temps et de la température par une approche locale. Le second objectif est d’apporter des éléments de comparaison entre le comportement à l’échelle microscopique et macroscopique.Les méthodes proposées sont principalement fondées sur l’essai de relaxation en indentation. Ses développements et applications aux matériaux polymères et métalliques sont étudiés de manière analytique puis expérimentale. L’étude analytique nous montre que ce type d’essais en indentation peut être directement comparé à un essai uniaxial. Elle montre également que la cinétique de chargement a une grande influence sur la qualité des résultats obtenus en relaxation.L’étude expérimentale proposée, en température, permet d’extraire la sensibilité à la vitesse de déformation ainsi que l’énergie d’activation des phénomènes visqueux. Cependant, la dérive thermique limite la durée des essais – la durée maximum du segment de relaxation reste inférieure à quelques minutes. Une autre étude réalisée à température ambiante ouvre la voie à des durées de caractérisation plus longues. Celle-ci se fonde sur l’équivalence entre aire et raideur de contact pour un matériau homogène. Un maintien de l’aire de contact constante pendant 10 heures est effectué sans signes de dérive.Finalement, l’application de la nanoindentation à hautes températures à la caractérisation in situ des changements microstructuraux pour un alliage d’aluminium est étudiée. Les résultats de l’étude montrent qu’il est possible d’obtenir la cinétique de recristallisation avec un seul échantillon et en un temps limité. / This manuscript presents a study on the mechanical properties’ characterization of time dependent phenomena using instrumented nanoindentation at different temperatures.This research subject treats the development of methods dealing with the adaptation of classical indentation methodologies to high temperature characterizations. Bringing a better understanding of time and temperature dependent phenomena at a local scale is the first aim of the methods developed. The second objective is to compare materials behaviors measured at micro and macro-scale.The proposed methods are based on indentation relaxation tests. Their development and applications to polymers and metals characterization are studied analytically and experimentally. The analytical study shows that the indentation relaxation test is equivalent to the uniaxial one. This study also highlights the great influence of loading kinetics on the measured relaxation behavior.The proposed experimental study in temperature permits the extraction of the strain rate sensitivity and the activation energy of the viscous phenomena. However, thermal drift limits the characterization duration – i.e. the maximum experimental time remains limited to a couple of minutes. Another experimental study configuration, at room temperature, opens the way to longer test durations. It is based on the equivalence of contact area and stiffness for a homogeneous material. With this configuration, we successfully hold the contact area constant for 10 hours without any evidences of drift.Eventually, the high temperature nanoindentation application to in situ microstructural changes characterization of an aluminum alloy is studied. Measurements and limitations are carefully discussed for a better understanding of the studied phenomenon. The results show that the recrystallization kinetics can be successfully described with reduced test duration and samples’ set.

L’identification de certaines lois de comportement demeure délicate surtout pour des comportements non linéaires. Plusieurs stratégies d’identification ont été développées en s’appuyant principalement sur le dialogue essai-calcul. La partie expérimentale consiste à mesurer une ou plusieurs quantités physiques qui caractérisent le comportement du matériau testé et la partie théorique permet de calculer ces mêmes quantités. Pour remonter aux propriétés matérielles recherchées, un accord entre les quantités mesurées et calculées doit être visé. Dans cette thèse, on s’intéresse au zinc qui un matériau polycristallin. Celui-ci est modélisé à travers des lois de plasticité cristalline qui permettent de prédire son comportement mécanique sous chargements complexes ainsi que l’évolution de sa microstructure. Les lois de plasticité cristalline implémentées dans le logiciel commercial Abaqus par Huang et Marin que nous avons adapté au cas du zinc ont été utilisées. L’étape d’identification de ces lois non linéaires est basée sur une approche inverse qui tient compte des hétérogénéités des déformations à l’échelle des grains. Pour cela, nous avons utilisé l’essai de nanoindentation qui est un essai hétérogène permettant d’extraire plus d’informations que les essais homogènes. A cet effet, et pour caractériser la plasticité cristalline du zinc, nous avons utilisé les courbes charge - profondeur de pénétration et les profils de déplacements mesurés sur l’empreinte résiduelle sur des grains de différentes orientations cristallographiques mesurées par EBSD. La confrontation des résultats expérimentaux et montrent la bonne adéquation entre les données expérimentales et les modèles identifiés. Les résultats obtenus ont ainsi permis de caractériser les mécanismes de déformation des monocristaux de zinc. / The identification of certain behavior laws of remains delicate especially for nonlinear behaviors. Several identification strategies have been developed based mainly on the experiment-calculation dialogue. The experimental part consists in measuring one or more physical quantities which characterize the behavior of the tested material and the theoretical part makes it possible to calculate these same quantities. To go back to the material properties sought, an agreement between the quantities measured and calculated must be aimed at. In this thesis, we are interested in zinc, which is a polycrystalline material. It is modeled through crystal plasticity laws that predict its mechanical behavior under complex loadings and the evolution of its microstructure. The crystal plasticity laws implemented in the commercial software Abaqus by Huang and Marin that we adapted to the case of zinc were used. The step of identifying these non-linear laws is based on an inverse approach that takes into account the heterogeneities of the deformations at the grain scale. For this, we used the nanoindentation test which is a heterogeneous test to extract more information than the homogeneous tests. For this purpose, and to characterize the crystal plasticity of zinc, we used the load - penetration depth curves and the displacement profiles measured on the residual imprint on grains of different crystallographic orientations measured by EBSD. The confrontation of the experimental and numerical results show the good agreement between the experimental data and the identified models. The results obtained made it possible to characterize the deformation mechanisms of zinc single crystals.