L’industrie microélectronique est parmi les plus dynamiques qui soient. Pour demeurer concurrentiels, les fabricants doivent continuellement optimiser le temps de développement et de commercialisation de leurs nouveaux produits. Ces dernières décennies, un effort de recherche a été réalisé afin de caractériser et simuler par la méthode des éléments finis le comportement d’assemblages microélectroniques en fatigue. Une telle méthode, dont la précision serait démontrée, permettrait d’accélérer de façon significative les temps de développement, tout en réduisant les coûts et les risques. Le présent projet de recherche vise à mettre en oeuvre une nouvelle méthode de simulation par éléments finis du processus d’assemblage d’un module microélectronique à une carte, soit la formation d’un boîtier matriciel à billes par refusion. L’objectif est de vérifier s’il existe une corrélation empirique entre l’état des joints de soudure après l’assemblage et la durée de vie du produit soumis à un chargement thermique cyclique. La méthode développée pour simuler le procédé de fabrication inclura les phénomènes complexes en jeu, tels que la déformation non-linéaire des billes de soudure. La précision des résultats numériques sera démontrée avec des données expérimentales. Cet outil pourra être utilisé pour la résolution de problèmes importants relatifs à la fiabilité de composantes microélectroniques. Ce projet est effectué en partenariat avec IBM Canada situé à Bromont, le Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).

Analyse des interactions entre les processus d'oxydation et les mécanismes de déformation conduisant à un mode de propagation des fissures soit transgranulaire ductile, soit intergranulaire fragile, le dernier mode étant associé à une propagation beaucoup plus rapide des fissures. Proposition de différents modèles phénoménologiques permettant de relier le mode d'oxydation au mode de déformation, ainsi que le mode d'oxydation au mode de propagation des fissures.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des phénomènes d'initiation et de propagation d'une fissure dans un matériau bitumineux. À l'aide d'un essai innovant développé au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, on reproduit les conditions d'initiation et de propagation d'une fissure confinée dans un film de bitume. Dans la première partie de ce travail de thèse, on aborde l'approche utilisée pour identifier les propriétés rhéologiques à l'aide du modèle de Maxwell généralisé. La détermination des séries de Prony passe par les méthodes d'optimisation linéaire et non-linéaire pour représenter précisément le module complexe du liant bitumineux dans le domaine fréquentiel. Ce comportement viscoélastique identifié est ensuite validé par l'essai de

Les aubes de turbine haute pression des turboréacteurs sont des composants soumis à des chargement thermo-mécanique sévères. Ces aubes sont maintenant réalisées en superalliage monocristallin à base nickel car ce matériau possède d'excellentes propriétés à haute température. Le procédé de fabrication de ces aubes monocristalline entraîne des défauts et notamment des pores localisés dans les espaces inter-dendritiques. Sous l'action de sollicitation cyclique, des microfissures se forment sur ces défauts, donnant naissance à une fissure principale pouvant conduire à la rupture de la pièce. L'objet de cette thèse est d'étudier l'amorçage et la micro-propagation de fissure sur défaut. Une étude expérimentale a été menée sur des éprouvettes tubulaires contenant une entaille assimilée à un pore. Nous avons montré que la viscoplasticité et l'activation de l'oxydation induisaient un comportement de type fissure courte. Une analyse numérique par éléments finis sur des maillages d'éprouvettes entaillées a montré l'importance de la plasticité générée par le défaut sur la vitesse de propagation des fissures courtes. Puis nous avons établi un modèle de micro-propagation de fissure permettant d'estimer la vitesse de propagation de fissure s'amorçant sur une entaille. Nous avons opté pour un modèle décrit à l'échelle locale en utilisant les champs de contraintes générées par le défaut. Ce modèle rend compte de la plasticité locale due à l'entaille et de la fragilisation en pointe de fissure par l'oxydation. Le modèle développé ouvre des perspectives prometteuses sur la prédiction de la durée de vie à l'amorçage sur pore de fonderie.

La liaison aube-disque d'un turboréacteur est soumise en opération à un chargement complexe composé d'une forte pression et d'un mouvement relatif oscillatoire, qui génère un phénomène de fretting-fatigue. L'apparition de celui-ci réduit la résistance en fatigue des structures et engendre des dégradations qui, sous différentes formes (usure, rupture), peuvent conduire à une perte de fonctionnalité. Afin d'assurer la fiabilité des turboréacteurs, il est donc utile d'améliorer l'estimation de la durée de vie sous chargement de fretting.Cette thèse est dédiée à la fois à l'étude de l'amorçage de la première fissure et de sa micropropagation dans le domaine dit "des fissures courtes", c'est-à-dire celles qui sont encore directement influencées par la microstructure locale. Pour remplir la première exigence, on développe un modèle numérique mettant en oeuvre un critère multiaxial de fatigue. Il permet de prédire la position de l'amorçage et le nombre de cycles correspondant, en prenant en compte d'éventuels traitements de surface. Dans un second temps, une étude numérique de la direction et de la cinétique de propagation des fissures est mise en place avec prise en compte de l'influence de la microstructure du matériau, à l'aide d'un modèle de plasticité cristalline qui prend en compte les différentes familles de systèmes de glissement. La vitesse de fissuration diminue à l'approche des joints de grains, ce qui est qualitativement conformes aux observations expérimentales.

Les surfaces de rupture par fatigue peuvent représenter les aspects complexes en fonction de: type de matériau, le mécanisme de condition de sollicitations mécaniques, environnement ambiant etc.Dans le cadre des chargements complexes ou variables les surfaces de rupture sont encore plus difficiles à analyser, car de telles sollicitations peuvent engendrer les changements de mécanismes dans certains matériaux.Dans le cadre de changements variables, l'une des questions importantes est la connaissance de la vitesse de croissance des fissures.Des techniques actuelles de mesures de vitesse font appel aux mesures optiques ou aux mesures indirectes de mesures de la cinétique de croissance de fissures.Une méthode élégante consiste à faire des cycles marqueurs qui permettent de laisser une marque sur la surface de rupture que l'on ensuite identifier par analyse au microscope à balayage.A cette fin on peut utiliser : - les petites surcharges, les sous charges, les cycles en dessous du seuil de non propagation, un changement de température etc.Le but de travail de thèse serait de développer les cycles marqueurs sur trois matériaux:un alliage d'aluminium, un acier et un caoutchouc synthétique.L'idée étant de développer des cycles de marquage sans modifier le cinétique de propagation.Les essais comparatifs de fissuration seront menés avec ou sans cycles de marquage pour vérifier cette hypothèse.Le travail expérimental sera effectué au LMR (machine de fatigue) ainsi que l'analyse MEB. / The fracture surfaces of fatigue can represent complex aspects according to:type of material, provided mechanism of mechanical stresses, ambient environment, etc.Under complex loadings or variable ones, fracture surfaces are more difficult to analyze because such changes can cause change in mechanisms in certain materials.Under variable amplitudes, one of the important issues is the knowledge of the crack growth rate.Current techniques involve optical measurements or indirect ones that measures the kinetics of crack growth.An elegant method is to generate marker bands that can leave a mark on the fracture surface which is then identified by scanning electron microscope analysis.For this purpose one can use: - small overload, under load, cycles below the threshold, a change of temperature, etc.The aim of this thesis is to develop the technique of marker bands on three materials:an aluminum alloy, steel and synthetic rubber.The idea is to develop this technique without changing the propagation kinetics.The experiments will be conducted by fatigue cracking with or without marking marker bands to test this hypothesis.The experimental work has been carried out in LMR laboratory.

Dans ces travaux, nous avons étudié numériquement la croissance du décollement de l'interface fibre / matrice d'un composite UD avec garnissage hexagonale de fibre sous charge longitudinal et transversal. Nous avons mis l'accent en particulier sur l'influence des fibres voisines sur sa croissance. Dans la présente étude, le taux de libération d'énergie (ERR) est considéré comme la force motrice de la croissance du décollement et a été calculé sur la base de Integral J et de la technique de fermeture virtuelle de fissures (VCCT) à l'aide du logiciel de calcul par éléments finis ANSYS. Dans la présente recherche de thèse, nous avons étudier d’abord l'influence des fibres voisines sur ERR d'une décohésion émanant d'une rupture de fibre en condition de chargement longitudinal. Dans le cas du chargement longitudinal, la croissance du décollement est gouvernée par le mode II. Comme point de départ l’étude, nous avons mis place un modèle axisymétrique composé de 5 cylindres concentriques représentant la fibre endommagée, la matrice environnante, les fibres voisines, la matrice environnante et le composite effectif généré. On constate qu'il y a deux stades de croissance, la première étape correspond à une longueur courte du décollement, l'ERR diminue à mesure que l'angle du décollement augmente, et la présence de voisins augmente significativement la décohésion de l'ERR. Pour une décohésion relativement longue, le décollement se situe dans une région de croissance en état stationnaire lorsque l'ERR est pratiquement constant quelle que soit la longueur du décollement. À l’état stationnaire de la croissance du défaut, la présence de fibres voisines n'a que peu d'effet sur l'ERR. Les travails ultérieurs, nous avons mis en place un modèle 3-D (explicite) avec la fibre endommagée et ses 6 fibres les plus proches dans un composite UD compacté hexagonal, entourées par le composite homogénéisé. Sur la base des résultats obtenus, nous avons montré que l'ERR varie le long de la face frontale et a son maximum à l'endroit circonférentiel où la distance entre deux centres de fibre est la plus petite. Cela indique que le front du décollement n’est pas circulaire. Pour l'état stable du décollement, la présence de fibres a peu d'effet sur l'ERR qui progresse le long du front du décollement. Pour un décollement court, la présence de fibres augmente l'ERRS moyenné, et cette augmentation est plus significative lorsque la distance entre fibre est la plus petite. Après l’étude du la décollement fibre / matrice en charge longitudinale, nous avons commencé à étudier la croissance du décollement fibre / matrice le long de la circonférence de la fibre sous charge transversale. On constate que la croissance de la du décollement est en mode mixte, et les composants ERR du mode I et du mode II augmentent avec l'augmentation de l'angle de déformation puis diminuent. La croissance du décollement démarre principalement en mode I pour les petits angles de décollement et se poursuit en mode II. La présence de fibres voisines a un effet d’accroissement sur la croissance du décollement jusqu'à certains petits angles et change ensuite en effet protecteur. En fin, nous avons étudié l'interaction entre deux décollement sous chargement transversale. Nous avons constaté que lorsque deux décollements sont proches l'un de l'autre, l'interaction entre devient beaucoup plus forte et conduit à l'augmentation significative de l'ERR de chaque décollement, ce qui facilite la croissance du décollement / In the presence thesis, the growth of fiber/matrix interface debond of a UD composite with hexagonal fiber packing under longitudinal and transverse tensile loading was investigated numerically, with the special focus on the influence of neighboring fibers on its growth. In the current study, energy release rate (ERR) is considered as the driving force for debond growth and was calculated based on J Integral and Virtual Crack Closure Technique (VCCT) using finite element software ANSYS. In the present thesis research, we started with investigating the influence of neighboring fibers on ERR of a debond emanating from a fiber break in longitudinal loading condition. In longitudinal loading case, debond growth is mode II dominated. As the starting point for the research, an axisymmetric model consisting 5 concentric cylinders that represent broken fiber with debond, surrounding matrix, neighboring fibers, surrounding matrix and effective composites was generated. It’s found that there are two stages of debond growth, the first stage is when debond length is short, the ERR decreases with increasing debond angle, and the presence of neighboring significantly increase the ERR of debond. For relatively long debond, the debond is in a steady state growth region when ERR is almost constant regardless of debond length. In steady state of debond growth, the presence of neighboring fibers have little effect on the ERR. In the later research, a 3-D model was generated with broken fiber and its 6 nearest fibers in a hexagonal packed UD composite were modelled explicitly, surrounded by the homogenized composite. Based on the obtained results, it’s shown that ERR is varying along debond front, and has its maximum at the circumferential location where the distance between two fiber center is the smallest. This indicates the debond front is not a circle. For steady state debond, the presence of fibers have little effect on ERR that averages along debond front. For short debond, the presence of fibers increases the averaged ERRS, and that the increase is more significant when inter-fiber distance are the smallest. When we conclude our investigation on fiber/matrix debonding under longitudinal loading, we began studying the growth of a fiber/matrix debond along fiber circumference under transverse loading. It’s found that debond growth is mixed-mode, and both mode I and mode II ERR components increase with increasing debond angle and then decreases. Debond growth is mode I dominated for small debond angle and then switch to mode II dominated. The presence of neighboring fibers have an enhancement effect on debond growth up to certain small debond angle and then changes to a protective effect. Finally, the interaction between two arc-size debond under transverse loading is investigated. It’s found that when two debonds are close to each other, the interaction between two debond becomes much stronger, and that interaction leads to the increase of ERR of each debond significantly, which facilitates further debond growth for both debond

La liaison aube-disque d'un turboréacteur est soumise en opération à un chargement complexe composé d'une forte pression et d'un mouvement relatif oscillatoire, qui génère un phénomène de fretting–fatigue. L'apparition de celui-ci réduit la résistance en fatigue des structures et engendre des dégradations qui, sous différentes formes (usure, rupture), peuvent conduire à une perte de fonctionnalité. Afin d'assurer la fiabilité des turboréacteurs, il est donc utile d'améliorer l'estimation de la durée de vie sous chargement de fretting.Cette thèse est dédiée à la fois à l'étude de l'amorçage de la première fissure et de sa micropropagation dans le domaine dit "des fissures courtes", c'est-à-dire celles qui sont encore directement influencées par la microstructure locale. Pour remplir la première exigence, on développe un modèle numérique mettant en oeuvre un critère multiaxial de fatigue. Il permet de prédire la position de l'amorçage et le nombre de cycles correspondant, en prenant en compte d'éventuels traitements de surface. Dans un second temps, une étude numérique de la direction et de la cinétique de propagation des fissures est mise en place avec prise en compte de l'influence de la microstructure du matériau, à l'aide d'un modèle de plasticité cristalline qui prend en compte les différentes familles de systèmes de glissement. La vitesse de fissuration diminue à l'approche des joints de grains, ce qui est qualitativement conformes aux observations expérimentales. / The blade-disc fixings of an aircraft engine are subjected to complex loadings composed by a high pressure and oscillatory relative motions during operation. This corresponds to a loading type called fretting. The appearance of fretting phenomenon reduces the fatigue resistance of structuresand generates damage which, in various forms (wear, rupture), can lead to a loss of functionality. In order to ensure the reliability of turbo-engines, the improvement of the models for estimating life prediction is then needed.This thesis is devoted to the study of crack initiation and crack micro-propagation, in the so called "short crack domain", where they are still in interaction with the microstructure. At first, a multiaxial fatigue model is proposed. It predicts the location and the number of cycles to initiation, taken into account the possible surface treatments. Then, a numerical study of the direction and the kinetics of crack propagation is performed with consideration to the influence of the material microstructure. A crystal plasticity model is used, that takes into account all the relevant families of crystallographic slip systems. The crack plane is assumed to be one of the crystallographic plane where the plastic slip is the most intense. The crack propagation rate decreases when approaching grain boundaries, that is qualitatively consistent with the experimental observations.

Le groupe Dassault Aviation conçoit et construit chaque année un large choix de modèles d’avions, à la fois à usage privé comme à usage militaire. Nous nous intéressons ici à certaines pièces structurelles de l'avion, se présentant sous la forme de panneaux renforcés de raidisseurs usinés directement dans la masse de tôles épaisses en alliage Al2024T351. Dans le cadre du processus de mise en forme, ces éléments doivent être formées à froid afin de leur donner une courbure définitive. Ce procédé a pour conséquence de pré-déformer sévèrement certaines régions de la structure. De plus, ces zones sont susceptibles de constituer des sites d’amorçage et de propagation de fissures de fatigue.Cette étude vise à analyser les interactions entre les phénomènes plastiques induits par le formage à froid et la propagation d'une fissure de fatigue lors du chargement en fatigue de la structure. Cette thèse se déroule selon la démarche suivante:Un essai de formage à froid instrumenté a été réalisé sur deux éprouvettes technologiques auto-raidies. A partir, d'une base expérimentale d'essais de traction un modèle de comportement plastique anisotrope de la tôle a été proposé permettant l'élaboration d'une simulation du formage des deux structures ainsi que l'analyse fine de l'état résiduel du matériau suite au procédé. Après connaissance de l'état plastique résiduel, un protocole d'essais de compression et de traction sur éprouvettes grandes dimensions a été mené (des lopins de diamètre 54 mm et des éprouvettes de traction plate de section 75x55 mm) dont le but est de produire un volume homogène de matériau pré-déformé en compression et en traction (jusqu'à +/-10 %).A partir des volumes de matériaux d'origine et pré-déformés, une large campagne d'essais de fatigue a été réalisée sur éprouvettes oligocycliques et éprouvettes de propagation (Compact Tension) permettant en autres la caractérisation des effets de la pré-déformation sur les propriétés en fatigue. Un modèle de propagation de Forman modifié a pu être identifié à partir des courbes de vitesse.Enfin, les structures auto-raidies formées ont été soumises à un chargement cyclique et le comportement à l'amorçage et en propagation a pu être observé expérimentalement. Une simulation du chargement en fatigue de la structure après formage a été proposée. Le module Z-crack du code éléments finis Z-set associé au modèle de propagation à permis de simuler la propagation d'une fissure de fatigue au sein de la structure.Une conclusion sur la contributions des contraintes, de l'angle de formage et de la plasticité sur le trajet et la vitesse de propagation a pu être apportée numériquement et confrontée aux résultats des essais. / The Dassault Aviation Group designs and builds a wide range of aircraft models each year, for both private and military use. Some structural parts of the aircraft, in the form of reinforced stiffener panels machined directly into the bulk of Al2024T351 thick plates are studied. As part of the shaping process, these elements must be cold formed to give their final curvature. This process severely plastified some regions of the structure. In addition, these zones are likely to constitute sites of initiation and propagation of fatigue cracks.This study aims to analyze the interactions between the plastic phenomena induced by cold forming and the propagation of a fatigue crack during fatigue service loading. This thesis is conducted according to the following approach:An instrumented cold forming test has been performed on two self-stiffening technological specimens. From an experimental base of tensile tests, a model of anisotropic plastic behavior of the plate was proposed allowing the development of a cold forming structure simulation and an analysis of the residual state of the material following the process. Using all the results about residual plastic state, a compression and traction test on large test pieces has been performed (54 mm diameter slugs and flat tensile test pieces of 75x55 mm section) whose purpose is to produce a homogeneous volume of pre-deformed material in compression and traction (+/-10 % of plasticity) .A large campaign of fatigue tests has been realized on oligocyclic specimens and specimens of propagation (Compact Tension) extracted from the volumes of original and pre-deformed material allowing the characterization of the effects of the pre-deformation on the fatigue properties. A modified Forman propagation model has been identified from the velocity curves.Finally, self-stiffened structures formed have been subjected to a cyclic loading and the fatigue initiation and propagation behavior has been observed experimentally. A simulation of the fatigue loading of the structure after forming has been proposed. The Z-crack module of the Z-set finite element code associated with the propagation model allowed to simulate the propagation of a fatigue crack within the structure.

Les composants monocristallins fonctionnant à des températures élevées sont soumis à des conditions de chargement thermo-mécanique sévères. La géométrie et le comportement de ces composants sont très complexes. Un défi majeur est de développer des modèles mathématiques afin de prévoir l'initiation et la propagation de fissures en présence de contraintes importantes et de forts gradients de température. Dans ce cas, le comportement élastoviscoplastique fortement anisotrope du matériau étudié (superalliage à base Ni) doit être pris en compte. Le modèle correspondant doit être en mesure de rendre compte de la croissance anisotrope des fissures et de leur bifurcation dans des champs de contrainte complexes. De plus, le modèle doit être capable de prédire non seulement le taux de croissance des fissures mais aussi les chemins de fissuration. La mécanique de l'endommagement anisotrope est un cadre théorique bien adapté au développement de modèles de croissance de fissures dans les monocristaux. Au cours d'études précédentes, une loi de comportement couplant plasticité cristalline et endommagement cyclique a été développée, démontrant l'intérêt de cette approche, mais aussi ses limites, notamment du fait de la dépendance au maillage des résultats. Le développement récent de modèles non-locaux dans le cadre de la mécanique des milieux continus pourrait ainsi aider à surmonter ces difficultés. Une grande base expérimentale existe concernant l'initiation et la propagation de fissures dans les superalliages monocristallins à base de nickel. Les simulations thermomécaniques par éléments finis des aubes de turbine fournissent des informations détaillées sur la distribution des contraintes et des déformations plastiques, en particulier près de singularités géométriques comme les trous et les fentes de refroidissement. Tout d'abord, sur la base de la théorie de la plasticité cristalline qui établit un lien solide entre les contraintes et les déformations plastiques, un modèle découplé en mécanique de l'endommagement basé sur l'historique des calculs par éléments finis sera présenté. Ensuite, un modèle d'endommagement incrémental basé sur les milieux généralisés sera proposé et enfin, les prédictions du modèle pour l'initiation et la croissance de micro-fissures en résolvant le problème de dépendance au maillage seront discutés.